高频辐射对数字功率电表计量的影响

王 昕，毕志周，赵艳峰，张 杰

(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，昆明 650217)

目前部分不法分子利用高科技智能化的大功率高频辐射技术对数字式功率电能表的计量芯片进行干扰，使计量表计不能正常工作。这种窃电方法隐蔽性强(在表箱外发射大功率信号就能达到干扰表计计量的目的，不需动电力设备和计量装置的任何部分)，在现场也不留任何痕迹，使用电稽查人员即使在短时间内发现窃电，也无法定性，只能更换电能表，且电能量追补困难重重。

高科技窃电对供电企业所造成危害远远超过传统窃电方式，因此，应进一步加大反窃电措施:(1)建立健全各用户计量装置的运行档案，加强铅封和封印钳的管理及完善用户签证;(2)针对用电负荷波动比较大的用户安装网络表，实时监控，分析负荷变化曲线;(3)采用高磁不锈钢内部加装高科技材料特殊制成的双层屏蔽网，有效地屏蔽大功率高频辐射信号对电表计量元器件的冲击［2－3］。

1 高频干扰原理分析

电磁辐射是看不见，摸不着的，虽然在电力系统中高频电磁辐射干扰不是很普遍，但也不容忽视，很多时候辐射的能量虽小，但对电力系统中敏感度较高的二次设备(如一些计量装置)会产生极大的干扰［4］。

精密测量电路中的许多不稳定问题都可以归结到高频干扰，对于具有差分放大作用的仪表放大器却是比较常见的，因为仪表放大器的两个输入端对地输入阻抗很高，因此容易受到低功率RF 干扰。在仪表放大器中很重要的一个因素是共模抑制随频率增加而减小(从很低的频率开始减小)，即失真随频率的增加而增大。这样不仅仅是不抑制高频共模信号，而且使高频共模信号失真，产生失调［5，8］。

无线电工程师对于这种几根长导线有一个专有名词，称之为“天线”，它是电波的换能器件，用以发射和接收电波，它的工作有点像音响里的扬声器和话筒，它把在电路里流动的高频电流通过电磁感应转换成高频电磁波向外辐射，高频电流流过任何导体时，导体内部的电子随着高频电流振动，在导体外面空间会感应激发电磁波。从设备到其电子设备之间的这种长馈线按照同样的表现行为也会起到一个天线的作用，即使我们不希望它起到天线的作用也是如此。如果设备的外壳接地就有问题了，因为在高频情况下外壳的电抗和馈线使整个系统起到一个天线的作用，而且天线接受的任何高频信号(电场、磁场或电磁场)都将出现在阻抗上。形成共模干扰的原因很多，总结起来主要有以下几点:

①电网串入共模干扰电压;

②辐射干扰(如雷电、设备电弧、附近无线电台、大功率辐射源)在信号线上感应出共模干扰;(原理就是交变的磁场产生交变的电流，两个回路阻抗不同等原因造成电流大小不同)

③接地电压不一样，也就是地电位差引入共模干扰;

④设备内部电线对电源线的影响。

工作原理如图1所示。

图1 共模干扰原理图

图1 中的“电子设备”表示用户侧的设备装置(即干扰信号源)，而“天线”可以看成是被干扰的设备(即计量表计)，对于上述高频信号最可能的影响位置是在表计的进出线端子，精密低频放大器很少与大的高频信号耦合，所以输出结果会表现出常见的可调整失调误差［7］。

有些情况下共模电压较大，特别是在一些采用隔离性能较差的配电箱里面，变压器输出信号的共模电压普遍较高，有的甚至高达130V 以上，共模电压通过不对称电路可转化成差模电压，直接影响测量信号，同时造成采样元器件的损坏，这种共模干扰有可能是直流的也有可能是交流的［6］。工作原理如图2所示。

图2 差模干扰原理图

图2 中ICM2近似等于ICM1，而Z1不等于Z2，Up=ICM2×ZCM2，UQ=ICM1×ZCM1;

所以Up≠UQ，从而转换为差模电压UPQ，也就是说，共模干扰不直接影响设备，而是通过转换为差模电压来影响计量设备等。

2 试验分析

本次曲靖供电公司查获的用户带有天线“装置”的正、背面控制面板如图3所示。

图3 送样“装置”正、反面控制面板图

该送样“装置”产生的高频辐射电场强度达到1 kV/m～5 kV/m，磁场强度的幅值为1 A/m～5 A/m，而目前云南电力试验研究院采用的高频电磁场抗扰度型式试验标准为:

①试验设备:高频电磁场发生器、GTEM 室;

②试验方法及条件:试验频端:80 MHz～1 000 MHz;

(a)试验时电流线路无电流，电压线路加参比电压，试验场强:E=20 V/m;

(b)线路加基本电流Ib，电压线路加参比电压，cosφ=1.0，试验场强:E=10 V/m

③试验判定:仪表在高频电磁场辐射干扰试验中计量误差改变量(以在常温标准状态下为基准)应在表1 极限内，试验过程中仪表功能应正常;试验后，仪表不应出现损坏或信息的改变(单片机的复位，更不允“死机”等等不正常现象)，计度器示值不应出现变化。

表1 仪表在高频电磁场辐射干扰试验中计量误差允许值

本次试验选用宁波三星电气股份有限公司生产的DTSD188S 型三相四线电子式多功能电能表(电压:3×220 V/380 V，电流:3×1.5(6)A，编号:10039927，有功等级为1.0，有功常数为5 000 imp/(kW·h)进行试验室验证分析。

(1)当验证表计(DTSD188S 型三相四线电子式多功能电能表)在送样“装置”处于不工作情况下测量误差稳定，测量误差符合JJG 596—1999《电子式电能表检定规程》的要求。

(2)当验证表计(DTSD188S 型三相四线电子式多功能电能表)在送样“装置”处于工作情况下测量误差及功率变化与上述试验相同(测量误差向负方向变化，测量功率减少，导致电能表少计电量)，随着“装置”输出功率的不断增大，表计受干扰程度也越大。

在送样“装置”处于不工作情况与送样“装置”处于工作情况下验证电能表有功测量误差如表2所示，误差曲线变化如图4所示。

表2 验证电能表在送样“装置”处于不工作情况与送样“装置”处于工作情况下的测量误差

图4 验证电能表在送样“装置”处于不工作情况与送样“装置”处于工作情况下的误差变化曲线图

送样“装置”处于不工作情况与送样“装置”处于工作情况下验证电能表的功率如表3所示，功率曲线变化如图5所示。

表3 验证电能表在送样“装置”处于不工作情况与送样“装置”处于工作情况下的测量功率

图5 验证电能表在送样“装置”处于不工作情况与送样“装置”处于工作情况下的测量功率变化曲线图

如果将高频信号发射装置的发射频率调至6 W以上，测试台体将复位甚至无动作(死机)，无法校验误差与功率。在信号发射装置的发射频率调至6 W 时，对误差的影响较大，但是功率变化不明显，但从测试数据来看功率示值呈现下降的趋势。此次测试所用的台体为海盐电力仪表厂的三相标准表装置，等级0.05 级，型号:HY9352d－06。

验证测试试验中如果设备输出功率在10 W 以内的时候表计计量模块工作正常，能够正常通讯，但采样端的采样功率有一定的下降，可导致表计计量误差偏负;而当设备输出功率大于10 W 时，计量表计输入采样功率明显降低，计量芯片不出脉冲，导致表计不走字，且内部数据总线错乱，RS485 无法正常通信，而且同在一个实验室中的负控终端所进行的无线通信也受到干扰，导致通信失败。

3 结论

根据上述现象，同时结合相关理论可以推断:表计处于用户高频信号发射装置的高频辐射干扰环境中时，因内部接地使得其表计本身演变成类似天线的载体，当辐射源输出高频辐射功率的增强，表计进出线端阻抗增加，同时向外辐射能量，可能导致回路电流降低，对电子式电能表的CPU 进行干扰，使电表不能正常工作;同时高频辐射信号本身是离散个不同频率信号，在无线通信系统中极易产生同频干扰，即高频辐射源的载频与负控终端的无线模块通信信号的载频相同，并对接收同频道有用信号的无线模块造成干扰，使得终端通信成功率下降。

［1］钟镇声，陆晓燕.非传统窃电方式及防范［J］.电与社会，2008，8:－.

［2］罗奎.浅谈高科技窃电方式及预防措施［J］.农村电工，2009(2):39.

［3］项遥翔.小议高科技窃电的预防［J］.价值工程，2008，240.

［4］穆习，康勇，朱建新，等.电磁寻迹法在检测隐蔽性窃电中的应用［J］.电网技术，2007，31(2):363－365.

［5］胡汉梅，汪元龙.窃电方式及预防措施的分析探讨［J］.电测与仪表，2004，41(459):54－56.

［6］李大勇，王瑜， ，等.基于无线辐射技术的防窃电开箱记录仪设计［J］.电测与仪表，2008，45(514):51－54.

［7］彭卫东，胡敬全.单相电子式电能表的窃电分析及防窃电措施［J］.电测与仪表，2004，41(458):30－32.

［8］赵兵，吕英杰.一种新型防窃电装置的设计［J］.电力系统保护与控制，2009，37(23):116－118.