基于罗氏线圈的强磁窃电补偿方法*

林松泉 谢东桂 方培清 许泽玲 李隆淳



基于罗氏线圈的强磁窃电补偿方法*

林松泉 谢东桂 方培清 许泽玲 李隆淳

（广东电网有限责任公司潮州供电局）

针对强磁窃电，提出一种带补偿的防范方法。通过电流互感器采集的波形与罗氏传感器采集的波形比较，获得计量误差，最终判断是否出现强磁窃电情况；发现窃电情况时，通过波形分析，记录窃电数据，并转换为需补偿量。测试结果表明：强磁干扰下，电流互感器波形明显上移，当直流电流大于4.6 A后，负半周电流波形峰值仅为0.1074 A，当直流电流达到9 A时，负半周电流波形峰值仅为0.0018 A，通过计量误差可计算窃电量。

强磁窃电；磁饱和；罗氏线圈；窃电补偿

0 引言

电能计量是电力企业一项非常重要的工作，也是电力企业和用户建立信任关系的关键，然而窃取电能的事件时有发生。最近，出现新型窃电手段——强磁窃电，其实施简便、隐蔽性强，严重影响电力企业正常工作。本文针对强磁窃电特点，提出一种基于罗氏线圈的防强磁窃电方法。该方法以一定的分析精度，对电流互感器采集的数据进行分析判断，可有效追回被窃取的电量。

1　窃电原理

当前，电能计量是通过对电流、电压数据进行采集、分析和处理，再由电能表以特定的算法计算，得出用户用电量。强磁窃电是针对互感器铁芯具有饱和特性这一特点，使电能计量出现错误。

本文以直流强磁场为例进行分析，不同情况下的电磁变化示意图如图1所示，其中实线为正常情况，虚线为窃电情况。计量用电流互感器工作在磁化曲线的饱和点附近，如图1(b)中的A点，铁芯未饱和，磁导率较大。在强磁场下，存在一个直流磁通0，使得电流互感器总磁通的方向发生向上或向下平移，磁通的偏移将引起电流互感器中铁芯单向磁饱和。磁路饱和，磁导率降低，由铁芯材料的磁化曲线可知[1]，产生相同的磁通需要更大的磁化电流。因此，与强磁场方向一致的磁化电流的峰值在半个周波内急剧增大，而在另半周则逐渐减小至0，励磁电流波形发生畸变（如图1(c)中的虚线所示），从而导致电能计量不正常，这就是强磁场影响电能计量的基本原理。

图1　不同情况下的电磁变化示意图

2　窃电补偿方法

强磁窃电的原理是强磁场使计量用电流互感器铁芯磁饱和[2]，从而导致电能计量异常。防强磁窃电方法设计流程图如图2所示。本方法采用一种不受磁场影响的传感器与电流互感器采集的数据进行比较，根据要求的分析精度和2组波形可能存在的最大误差，判断是否发生强磁窃电。本方法主要由信号采集、信号处理和窃电补偿3个步骤组成。

图2 防强磁窃电方法设计流程图

2.1　信号采集

为了能在强磁场下采集到正常的波形，需要一种不受强磁干扰的传感器。罗氏线圈是一种均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，理论上可获得不受强磁干扰的电流信号[3]。但由于普通罗氏线圈的工艺较复杂，很难做到线圈均匀绕制和每匝线圈横截面相等。所以本方法采用PCB罗氏线圈[4]，其导线由机器均匀印刷在线圈上，且结构和参数都优于普通的罗氏线圈。如图3所示，用2个相同的PCB罗氏线圈半圆可组成一个完整的罗氏互感器，它采集的数据不受强磁场影响。但需要注意的是PCB罗氏线圈因线圈匝数较少，测量的电流需比较大；当电流较小时，可考虑通过串联多个PCB罗氏互感器解决。

图3　PCB罗氏线圈

2.2　信号处理

2.3　窃电补偿

3　测试分析

利用罗氏线圈对强磁场下的信号进行检测，2个互感器直接输出都存在高次谐波，使得比较过程变得复杂，需要进行信号预处理。本文选取公频作为比较对象，通过带通滤波器进行信号预处理。罗氏线圈和电流互感器信号处理前后输出波形如图4(a)、图4 (b)所示。实际试验结果表明：罗氏线圈和电流互感器经过信号处理后，强磁干扰信号完全补滤除掉，输出电流波形比较稳定，效果较好。

信号经预处理后，再经过积分器和放大器，可使罗氏线圈相位与电流互感器基本一致，实际试验结果如图4(c)所示。结果表明：输出波形信号稳定，符合检测要求，可进行窃电补偿计算。

为模拟窃电补偿，在计算机上进行仿真测试，设定直流电流dc分别为0.5％n，10％n（n为电流互感器空载时电流）。随着直流偏磁的增大，励磁电流正半轴峰值进一步增大，负半轴几乎没有波形，电流畸变更加严重，即计量误差增大。图5为正常状态和受干扰状态下，直流强磁场对电流互感器二次波形的影响波形，表1列出了不同直流偏磁下电流互感器励磁电流峰值。

由图5可以看出：图5(a)的电流峰值约1.25 kA，而图5(b)的正半周电流峰值达到5.75 kA，这表明：强磁干扰下，电流互感器的波形明显发生变形，波形上移，且随着直流电流的增加，电流互感器波形畸变越来越严重。

图4　罗氏线圈和电流互感器处理前后输出波形

图5(a) 正常情况下电流互感器二次侧波形

(b) 强磁干扰下电流互感器波形

图5 直流强磁场对电流互感器二次波形的影响波形

从表1可以看出：当直流电流大于4.6 A后，由于互感器铁芯材料已高度饱和，负半周电流波形峰值仅为0.1074 A；当直流电流达到9 A时，负半周电流波形峰值仅为0.0018 A，电流已接近为零。结果表明：励磁电流发生畸变，通过电流互感器传变特性发生偏差窃取电量，偏差越大，窃电量越多，可以通过计量误差计算出窃电量。

表1 不同直流偏磁下励磁电流峰值

4　结论

本文通过分析强磁场窃电的原理，提出一种基于罗氏线圈的防强磁窃电方法。选择一种不受磁饱和影响的采样元件，用此元件采集的数据与电流互感器采集的数据进行比较，以文中推导的公式作为判据，准确地判别是否存在强磁窃电，并通过计量误差转化窃电量，便于工作人员追回电量。

[1] 魏梅芳,吴细秀,胡国昭,等.变压器中低频暂态模型研究综述[J].变压器,2016,53(9):22-30.

[2] 李长云,李庆民,李贞,等.直流偏磁条件下电流互感器的传变特性[J].中国电机工程学报,2010,30(19):127-132.

[3] 司小平,乐丽琴,赵国生.罗氏线圈电子式电流互感器的设计[J].电子设计工程,2013,21(21):144-147.

[4] 龚勇镇,黄崇林,廖辉,等.PCB型罗氏线圈电流传感器的设计与试验研究[J].制造业自动化,2017,39(2):100-103.

Compensation Method for Strong Magnetic Theft Based on Roche Coil

Lin Songquan Xie Donggui Fang Peiqing Xu Zeling Li Longchun

(Guangdong Power Grid Co., Ltd. Chaozhou Power Supply Bureau Zip)

A new method of prevention and control is proposed for the new method of stealing electricity by strong magnetic stealing. By comparing the waveform collected by the current Transformer with that collected by the Roche sensor, the measurement error is obtained, and whether there is a strong magnetic theft is finally judged. When the theft is discovered, the data is recorded through waveform analysis and converted to the amount of compensation required. The simulation results show that under strong magnetic interference, the waveform of the current Transformer moves upwards obviously. When the DC current is greater than 4.6 A, the peak value of the negative half-cycle current waveform is only 0.1074 A. When the DC current reaches 9 A, the peak value of the negative half-cycle current waveform is only 0.0018 A, and the current is close to zero. The amount of electricity stolen can be calculated by measuring errors.

Strong Magnetic Theft; Magnetic Saturation; Roche Coil; Stealing Power Compensation

林松泉，男，1971年生，本科，高级工程师，主要研究方向：电力系统及自动化。E-mail: 352991620@qq.com

谢东桂，男，1988年生，本科，工程师，主要研究方向：电力系统及自动化。E-mail: 527486587@qq.com

方培清，男，1979年生，本科，经济师，主要研究方向：电力工程、市场营销。E-mail: 13553722440@.139.com

许泽玲，女，1983年生，本科，经济师，主要研究方向：电力工程、市场营销。E-mail: 17702066@qq.com

李隆淳，男，1981年生，硕士研究生，主要研究方向：电力系统及自动化。E-mail: 19303363@qq.com

潮州供电局营销创新项目（0351002017030102SC00049）