三相多功能谐波电能表的EMI分析与EMC设计＊

滕召胜，罗志坤，唐 求，周良璋，李小青

（1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.杭州海兴电器有限公司，浙江杭州310011）

三相多功能谐波电能表的EMI分析与EMC设计＊

滕召胜1†，罗志坤1，唐 求1，周良璋2，李小青2

（1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.杭州海兴电器有限公司，浙江杭州310011）

针对电力系统需求，研制了一种具有RFID接口与GPRS通信模块的三相多功能谐波电能表，介绍了电能表的构成与工作原理，分析了电能表的空间电磁干扰、传导耦合干扰和公共阻抗耦合干扰，探讨了电能表的电磁干扰传输途径，提出了三相多功能谐波电能表的电磁兼容可靠性设计方案，论述了电能表开关电源电磁兼容、PCB布线、通信接口抗干扰、防静电设计、软件抗干扰设计等电能表的EMC设计方法，给出了电能表的EMC测试结果.试验和运行表明三相多功能谐波电能表设计具有良好的电磁兼容性.

三相多功能谐波电能表；电磁兼容；干扰源；静电放电；传输线长度

随着社会的发展，供电、用电部门对电能表的计量性能及其自动抄表技术提出了更高的要求［1］.三相电能表不仅要具有电能参数准确测量和电能准确计量功能，还要具有谐波电能计量功能和USB，RS-485，吸附式红外与远红外，电力线载波和GPRS等通信功能［2－4］，以便于配合上位机软件方便地生成电力系统日报、月报和图形曲线，直观、准确地显示电能表的观测与计量结果、运行状态.为此，作者研制了一种具有RFID接口和GPRS通信模块的三相多功能谐波电能表［5］.由于电能表工作的电磁环境较复杂［6］，电路所处空间狭小，来自电能表外部的空间辐射干扰、电源干扰、静电干扰和来自电能表内部的开关电源干扰、传导耦合干扰、射频辐射干扰、数字电路等引起的电磁干扰［7－8］问题突出，通过合理的设计计算使三相多功能谐波电能表具备优良的电磁兼容性能和抗干扰性能尤为重要.

三相多功能谐波电能表充分考虑了EMC设计，取得了良好的应用效果.本文分析三相多功能谐波电能表的电磁干扰传输途径，提出三相多功能谐波电能表的电磁兼容可靠性设计方案，论述电能表的EMC硬件、软件设计方法，给出电能表的EMC测试结果.

1 电能表的电磁干扰分析

1.1 三相多功能谐波电能表的构成

三相多功能谐波电能表采用DSP＋MCU的双CPU结构，如图1所示.6路ADC对三相电网电压、电流进行实时同步采样，通过并行接口将采样数据送往DSP单元（ADSPBF533）.DSP利用加窗插值FFT算法［9］对电压、电流波形进行高精度频谱分析，分离出基波分量及2～21次谐波分量，高速实现电参量测量、电能累计、谐波分析、谐波电能计量等功能.DSP的处理结果通过异步串口发送到MCU（M30624FGPFP），完成数据统计、存储、显示、通信、电能表功能选择等管理功能.为便于组网通信，设计了吸附式／远红外，双RS-485，USB，RFID，GPRS等通信接口.

1.2 三相多功能谐波电能表的电磁干扰源

电能表的电磁干扰源主要有：1）闪电雷击.闪电引起的冲击电流可高达100 k A，产生的辐射波频率范围广，无规律，其频率从几k Hz到几百MHz或更高频域［10］.2）高压电力设备的干扰.高压输电线路及变压器的磁泄漏都是很强的干扰源，其频谱主要分布在30 MHz以下的中、短波频段.3）电力开关操作.开关过程中引起强烈的电流脉冲及短时的电压跌落.4）变频器、调光开关等节能器件等以晶闸管或类似电子器件为核心的设备工作时在电网上产生高次谐波干扰.5）电网电压波动.大容量负荷的起、停，引起电网电压的瞬时起落.6）数字电路装置.7）高频振荡电路.发射机、接收机及时钟本振等振荡电路的基频及其谐波.8）气体放电灯、荧光灯的整流器、启动器等对电网及周围空间产生电磁骚扰.9）家用电器、办公用电器.其中串激电机的换向器、电子控制器、定时器等均会对电网及周围空间产生电磁干扰，干扰频谱从几十k Hz到几百MHz.10）电动工具.电动工具在运行时，串激电机换向器产生电磁干扰.11）远距离无线电干扰源通过电磁辐射传输给RFID模块、GPRS模块，由天线接收后直接传输给电能表.12）RFID，GPRS等高频通信模块与电能表的其他电路安放在一个表箱里，电路有直接连接，RFID，GPRS模块数据通信时，产生对电能表其他电路的干扰.图2所示为三相多功能谐波电能表的干扰源和干扰途径.

图1 三相多功能谐波电能表结构框图Fig.1 Structure block of three-phase multifunctional harmonic energy meter

1.3 三相多功能谐波电能表的电磁干扰途径

电磁干扰的产生须有三要素：干扰源、干扰传播途径和敏感设备.三相多功能谐波电能表的电磁干扰传播途径主要有：1）传导耦合.干扰信号通过信号线、电源线、地线引入到电能表的敏感单元.2）公共阻抗耦合.传递信号经公共基准点（电位参考点）形成了公共阻抗，干扰信号经公共阻抗耦合到其他电路中.3）辐射耦合.载流导线、载流元件产生电磁辐射，通过分布电容、分布电感致使周围导线、元件产生感应电压.

图2 三相多功能谐波电能表干扰途径Fig.2 Interference propagation path of three-phase multifunctional harmonic energy meter

2 电能表的PCB传输线效应

2.1 传输线效应分析

PCB的EMC是多功能电能表设计必须重视的问题.由于分布电容、传输线特性阻抗与负载等效电阻不匹配等原因，高次谐波、数字信号、时钟信号在PCB上传输时会产生传输线效应，导致传输信号的延时、反射和变形，还会对间距很小的相邻走线产生很难准确量化的串扰.

利用全波时域分析方法、通过等效电路建立高频电磁场的等效模型可以构建电能表传输线模型.将PCB在空间域和时间域进行离散化，设空间域、时间域的离散步长分别为Δl，Δt，把求解空间划分为网格，其节点之间用传输线来连接，从而实现空间域的离散.通过迭代运算可实现时间域的离散.设每次迭代时间为时间域的离散步长Δt，信号传输距离为空间域的离散步长Δl，则

式中：c为光速.

利用麦克斯韦方程组可以建立网格中传输线上电压、电流的电场、磁场等效关系，将场在空间域的传播问题等效为离散时间域的电压波、电流波在网格中的传播问题［11］.对时域响应进行傅里叶变换后可得到频域解，求解得到空间内的电场和磁场分布［12－13］.例如，电压波在各个节点发生散射，散射后的电压波在下一次迭代运算则成为与其相邻节点的入射电压波，即

式中：kVi为k时刻各个节点的输入电压脉冲矩阵；kVr为k时刻各个节点的反射电压脉冲矩阵；k＋1Vi为k＋1时刻各个节点的输入电压脉冲矩阵；S为k时刻的散射矩阵；C为k时刻的连接矩阵.

当电能表的高频信号、数字信号沿传输线传送时，需要考虑传输线的传输阻抗和传播延迟，如果传输线特性阻抗与传输线负载不匹配，电压波将形成循环往复的反射信号并逐渐衰减.

2.2 传输线效应仿真

电能表PCB横截面为0.25 mm×1.25 mm的传输线的特性阻抗约为48.5Ω.设x，y，z方向的网格节点数分别为84，15，5，节点的三向长度Δl＝0.25 mm，则根据式（1）可以计算得到迭代时间约为8×10－13s.仿真实验时，以图3（a）所示的梯形波为传输信号，在传输线终端接入阻值与传输线特性阻抗不一致的阻性负载，构成图3（b）所示的传输线等效电路.图4（a）（b）分别为负载电阻Zl＝28.5Ω，70.5 Ω时信号反射与延时的仿真结果.可见，由于信号传输线长度、横截面积、负载阻抗的不同，传输线将造成信号不同的延时、变形和反射.另一方面，寄生电容将进一步加大信号的传输延时与失真，对间距小的相邻走线产生串扰.因此，设计PCB时应尽量减少长线传输.

3 电能表的EMC设计

电能表EMC设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能.

3.1 PCB的EMC设计

硬件EMC设计主要是PCB的抗干扰设计.元器件的布局在很大程度上影响着电能表的性能.

图3 电能表传输信号与传输线等效电路Fig.3 Equivalent circuit of transmission signals and transmission line of the energy meter

图4 电能表信号传输线效应仿真结果Fig.4 Simulation results of the transmission line effects of the energy meter

电能表的PCB以ADC，DSP，MCU等器件为中心，外围器件围绕它们进行布局，布线尽可能短；电路的输入与输出分开在PCB两端；数字信号电路和模拟信号分开；IC器件的去耦电容尽可能靠近IC；元器件之间保持一定间距，各部分电路的滤波网络就近连接；PCB的主要信号线汇集于板中央，充分靠近地线或用地线包围；信号线、信号回路线所形成的环路面积尽量小；避免长距离平行布线，电路中电气互连点间布线力求最短；相邻布线面导线采取相互垂直、斜交或弯曲走线的形式，以减小寄生耦合；高频信号导线避免相互平行；电源线和地线尽量粗；避免90°折线，减少高频噪声发射；减少回路环面积，降低感应噪声；晶振与DSP，MCU的引脚尽量靠近，用地线对时钟区隔离，晶振外壳接地并固定；电源线的走向与主流数据传递方向一致；为各电路模块提供一个公共电位参考点，形成各模块电路的专用地线；各模块之间用地线进行隔离，防止相互间的信号耦合效应；数字区与模拟区用地线隔离，数字地与模拟地分离，最后接于电源地；各部分电路内部的地线单点接地，尽量减小信号环路面积，并与相应的滤波电路的地线就近相接.这样不仅减小了电能表电路板的电磁辐射，而且降低了被干扰的机率，提高了电路的抗干扰能力.

3.2 电能表开关电源的EMC设计

电能表的开关电源EMC设计采取了如下措施：1）电源线滤波器.电源线滤波器安装在电能表电源线入口处，避免来自电网的强干扰，同时抑制电能表开关电源、RFID模块、GPRS模块、数字电路产生的干扰影响供电网络.2）尖峰吸收.外接电源干扰主要有快速瞬变脉冲群干扰、电源瞬时跌落、电源瞬时掉电等，其中快速瞬变脉冲群干扰尤为严重［14－15］，主要以差模和共模的方式作用于供电电源的入口，对电能表电路系统产生严重干扰.仪器开关电源的主要干扰是功率开关管通、断时的du／dt，减小功率开关管通断的du／dt是减小开关电源干扰的重要方面.在高频变压器的初级设置了由瞬变电压抑制二极管（TVS）和超快恢复二极管（SRD）组成的抗干扰和保护电路，充分发挥TVS响应速度极快、可承受高能量瞬态脉冲之优点，吸收漏感引起的尖峰电压，并确保MOSFET不被损坏.3）开关频率调制.将开关电源频率变为随机调制和变频调制.频率固定不变的调制脉冲产生的干扰在低频段主要是调制频率的谐波干扰，主要集中在各谐波点上.通过调制开关频率fc，把集中在开关频率fc及其谐波2fc，3fc…上的能量分散到它们周围的频带上，由此降低各个频点上的EMI幅值，以达到低于EMI标准规定的限值.这种开关调频PWM方法［16］虽然不能降低总的干扰能量，但它把能量分散到频点的基带上，有效地降低了干扰影响，如图5所示.

图5 EMI的频谱波形Fig.5 Spectrum waveform of EMI

3.3 通信接口的EMC设计

通信接口EMC设计主要是利用元件组合把干扰信号旁路、吸收、隔离、滤除、去耦.以RFID接口为例，除遵循PCB的EMC设计原则外，还采用了如下设计方法：1）将RFID接口的元器件间距加大且双面焊接元器件，一面为SMD，SMC元件，另一面为分立元件.2）对RFID接口电路进行分块处理，为高频放大、混频、解调、本振等电路模块电路提供各自的地线，汇总于RFID接口电路PCB接入地线处.由于没有公共阻抗耦合，因此没有相互干扰；3）在IC的电源进线端放置一个10μF的低噪声去耦钽电容.4）RFID接口电源利用LC滤波网络滤除干扰电压.

3.4 防静电设计

静电放电分为接触式和非接触式，即电流注入放电和空气击穿放电，对电能表的影响包括：1）放电前的静电场对电能表的影响；2）放电时的直接电荷注入对电能表的影响；3）静电放电电流激发的电磁场对电能表的影响.其中，放电之前的静电场和放电电流激发的电磁场使电能表产生辐射噪声，直接电流注入和电磁场产生的感应电流使电能表产生传导噪声.

电能表若不进行合理的防静电设计，由静电干扰引起的辐射噪声和传导噪声将同时存在，严重影响可靠性.试验发现，空气放电可直接从电能表按键的缝隙进入PCB板的按键走线，影响电能表的正常工作.因此，设计采取了下列防静电措施：1）优化结构设计，减少缝隙，并且使缝隙和固定开孔远离敏感电路；2）在电能表按键、上下机壳接合处加入塑胶垫，加长静电干扰路径，削减静电对电能表电路的影响；3）在键盘电路上加抑制电容或TVS进行防护处理.

3.5 软件抗干扰设计

软件设计除采用看门狗、指令冗余、设置当前输出状态寄存单元、设计自检程序等措施外，还采用了下列EMC设计方法：1）设置程序指针陷阱.在电能表的每个子程序后面或程序段后插入5条指令NOP，NOP，NOP，NOP，LJMP MAIN（初始化程序开始地址），在DSP，MCU未用的空白ROM区域（特别是后面的空白处），每32个字节放指令LJMP MAIN.一旦DSP，MCU受干扰，使程序指针混乱，执行了一段程序后，就会落入陷阱中，执行LJMP MAIN指令，自动跳转到初始化程序开始处，从而避免死机，使程序恢复正常.2）设置程序监视跟踪定时器.利用DSP，MCU片内集成的程序监视跟踪定时器跟踪程序的运行，当程序运行出现故障时，计数器溢出，电能表复位，重新运行程序，有效地“防飞”.

4 电能表的EMC试验

三相多功能谐波电能表属Ⅱ类防护绝缘包封仪表，采用绝缘材料表壳，无保护接地措施，参考《GB／T 17215静止式交流有功电能表》对绝缘性能的基本要求进行EMC测试.仪器经湖南省电力公司计量中心进行EMC测试合格，表1为三相多功能谐波电能表EMC主要试验项目的试验结果.

表1 三相多功能谐波电能表EMC试验结果Tab.1 EMC test results of three-phase multifunctional harmonic energy meter

5 结 论

三相多功能谐波电能表工作在电磁辐射、电源干扰、环境影响复杂的场所，EMC设计是电能表成功的技术关键.本文分析了电能表的干扰因素与电磁干扰途径，提出了电能表电磁兼容设计的完整方案，介绍了电能表的EMC硬件、软件设计方法，取得了良好的电磁兼容设计效果.仪器的电压、有功功率测量误差均≤0.1%，基波电能计量准确度达0.2 s级，谐波分析准确度高于GB／T 14549—93的A类标准要求.现场运行证明了仪器的可靠性.

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EMI Analysis and EMC Design of Three-phase Multifunctional Harmonic Energy Meter

TENG Zhao-sheng1†，LUO Zhi-kun1，TANG Qiu1，ZHOU Liang-zhang2，LI Xiao-qing2

（1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China；2.Hangzhou Hexing Electrical Co；LTD，Hangzhou，Zhejiang 310011，China）

According to power system requirements，a kind of three-phase multifunctional harmonic energy meter with radio frequency identification（RFID）interface and general packet radio service（GPRS）communication module was developed.The structure and the working principle of the energy meter were described，and its space electromagnetic interference（EMI），conducted coupling interference，and common impedance coupling interference were analyzed.The EMI propagation paths of energy meter were discussed，and the reliability design scheme of energy meter was proposed.The electromagnetic compatibility（EMC）design method of energy meter such as EMC of switch power，PCB routing，communication interface anti-interference design，the anti-static design and software anti-interference design，were analyzed.The EMC test results of the energy meter were given.The experiment and operating results have shown that the three-phase multifunctional harmonic energy meter has better EMC.

three-phase multi-functional harmonic energy meter；electromagnetic compatibility（EMC）；noise source；electrostatic discharge；length of transmission line

TP273

A

1674-2974（2010）11-0040-06＊

2010-04-12

国家自然科学基金资助项目（60872128）

滕召胜（1963－），男，湖南辰溪人，湖南大学教授，博士生导师

†通讯联系人，E-mail：tengzs＠126.com