基于工頻交變磁場(chǎng)干擾的電能誤差測(cè)量系統(tǒng)

1.引言
隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及相應(yīng)的居民遞增式階梯電價(jià)改革模式的提出，對(duì)電能表等相關(guān)電能計(jì)量工具的要求也隨之提高。根據(jù)規(guī)程《JJF 12453-2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱特殊要求靜止式有功電能表（0.2 S、0.5 S、1和2級(jí)）》要求[1]，0.5 mT磁感應(yīng)強(qiáng)度由與施加給被測(cè)儀表電壓同頻率的電流產(chǎn)生，并在對(duì)被測(cè)儀表最不利的相位和方向的條件下，測(cè)試被測(cè)表的附加誤差。
關(guān)于恒定磁場(chǎng)對(duì)電能表計(jì)量誤差影響實(shí)驗(yàn)研究一般采用永久磁體作為磁場(chǎng)發(fā)生器。通過一塊或多塊永久磁鐵貼在電能表不同表面進(jìn)行試驗(yàn)。裝置簡(jiǎn)單，易于操作。而交變磁場(chǎng)的影響試驗(yàn)研究裝置相對(duì)復(fù)雜。需產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的交變磁場(chǎng)并作用于電能表三個(gè)方位正交截面。本文選用亥姆霍茲線圈作為磁場(chǎng)發(fā)生器，同時(shí)旋轉(zhuǎn)電能表完成測(cè)量。


2.檢定系統(tǒng)
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以微機(jī)為中心控制多裝置實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化測(cè)量。利用精密步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)0~360°全方位干擾，檢測(cè)“最不利方向”。改變勵(lì)磁電流同電能表工作電壓相位及改變磁場(chǎng)相位，檢測(cè)“最不利相位”。
計(jì)算機(jī)通過RS232通訊接口發(fā)送命令至控制臺(tái)，調(diào)節(jié)源裝置輸出電壓電流至標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表，使其正常工作，測(cè)量被檢表電能誤差δ0[2]。然后調(diào)節(jié)源裝置輸出勵(lì)磁電流至亥姆霍茲線圈，使亥姆霍茲線圈幾何中心磁場(chǎng)強(qiáng)度H達(dá)400 A/m。根據(jù)設(shè)定的磁場(chǎng)方向，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)。在不同的磁場(chǎng)方向改變勵(lì)磁電流與電能表工作電壓相位，計(jì)算電能誤差δi。測(cè)試完畢后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電能表90°，再測(cè)量電能誤差。最后通過比較δ0和δi值，計(jì)算出磁場(chǎng)引入的電能誤差δ。
δ=δi-δ0
圖1為檢定三相三線電能表原理圖。



1.1主要部件介紹
a)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量軟件：是整個(gè)檢定系統(tǒng)的指揮中心。計(jì)算機(jī)通過RS232線同控制箱進(jìn)行通信。首先客戶通過人機(jī)對(duì)話界面設(shè)定參數(shù)包括勵(lì)磁電流相位，亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)角度，電能表參數(shù)等。接著計(jì)算機(jī)發(fā)送命令至控制臺(tái)調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)角度、勵(lì)磁電流相位及源輸出電壓電流至標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表。與此同時(shí)，處理由控制臺(tái)從硬件底層傳遞的測(cè)量數(shù)據(jù)，如計(jì)算被檢表電能誤差以及磁場(chǎng)引入的電能誤差。最后進(jìn)行報(bào)表打印、數(shù)據(jù)保存等。
b)控制臺(tái)：控制臺(tái)是整個(gè)硬件裝置的核心，是硬件裝置同計(jì)算機(jī)通訊的橋梁。它既可以連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)檢定，也可以脫離計(jì)算機(jī)軟件單獨(dú)控制硬件進(jìn)行半自動(dòng)檢定?？刂婆_(tái)接收到計(jì)算機(jī)命令后控制源裝置輸出電流和電壓至標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表。同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈和電能表旋轉(zhuǎn)的角度。最后將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)處理。在檢測(cè)電能超差點(diǎn)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
c)控制箱：控制精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲線圈和電能表旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分度可達(dá)60000/360°。
d)亥姆霍茲線圈：直徑為1 m，磁通勢(shì)為400安匝；產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的0~360°工頻交變磁場(chǎng)。通過精密電機(jī)控制可以定位任意角度，測(cè)量“最不利方向”。
e)源裝置：三相源和勵(lì)磁源。三相源電壓輸出范圍：30 V~ 450 V；交流電流輸出范圍：5 mA ~ 120 A；頻率輸出范圍：45 Hz ~ 65 Hz。電能測(cè)量準(zhǔn)確度：0.05%。勵(lì)磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)范圍：0 ~ 400 A/m；調(diào)節(jié)細(xì)度：1 A/m；交流磁場(chǎng)穩(wěn)定度：0.05%；交流磁場(chǎng)相位調(diào)節(jié)范圍：0~360°，調(diào)節(jié)細(xì)度：0.01°。



1.2嵌入式軟件介紹
嵌入式軟件采用基于freeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)。軟件的主要功能包括：三相源功能、工頻交變磁場(chǎng)功能、電能誤差測(cè)試、調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)等功能。檢測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程：
a)初始化。將微處理器，軟件操作系統(tǒng)、硬件進(jìn)行初始化。
b)建立進(jìn)程。包括建立按鍵進(jìn)程、數(shù)據(jù)處理進(jìn)程、界面顯示進(jìn)程、通信進(jìn)程、故障處理進(jìn)程等。
c)調(diào)用進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)軟件控制。上位機(jī)調(diào)用通訊進(jìn)程與軟件進(jìn)行通訊，或者是客戶通過觸摸屏或按鍵調(diào)用按鍵進(jìn)程進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置、量程設(shè)置、工頻交變磁場(chǎng)設(shè)置、旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置、功能設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置等。再調(diào)用數(shù)據(jù)處理進(jìn)程進(jìn)行電壓電流控制輸出、交變磁場(chǎng)大小和磁場(chǎng)相位控制、亥姆霍茲線圈角度調(diào)節(jié)，進(jìn)行電能誤差計(jì)算、超差報(bào)警等。
d)驅(qū)動(dòng)底層，控制硬件運(yùn)行。



3.檢定系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)
一些電能表生產(chǎn)廠家在做磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)時(shí)，需手搖亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，此時(shí)磁場(chǎng)方向會(huì)引入較大的誤差。僅能檢定幾個(gè)磁場(chǎng)方向的誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)單一。本文設(shè)計(jì)的亥姆霍茲線圈[3]結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中亥姆霍茲線圈（1）置于兩個(gè)環(huán)形板中，兩個(gè)環(huán)形板通過置于固定孔（9）中的4個(gè)尼龍棒進(jìn)行連接和固定。該線圈兩端分別置有亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)（4）和碳刷（6），通過電機(jī)控制可以繞X軸0~360°旋轉(zhuǎn)。隨著亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，軸向交變磁場(chǎng)B在YOZ平面旋轉(zhuǎn)，可對(duì)電能表兩個(gè)正交截面進(jìn)行試驗(yàn)。
電能表旋轉(zhuǎn)臺(tái)（2）通過托架（3）與亥姆霍茲線圈（1）連接。被檢電能表（12）置于電能表旋轉(zhuǎn)臺(tái)（2）上，通過計(jì)算機(jī)程控或手動(dòng)控制。電能表可以在XOY平面內(nèi)0~360°旋轉(zhuǎn)，并可停留在任意方向。即可對(duì)電能表剩下的一個(gè)正交截面進(jìn)行試驗(yàn)。在上電時(shí)自動(dòng)回歸初始位置。0點(diǎn)是亥姆霍茲線圈幾何中心，Y軸為亥姆霍茲線圈軸向方向。



4.誤差分析
當(dāng)電能表在交變磁場(chǎng)干擾下，計(jì)算電能誤差δi時(shí)會(huì)引入相位誤差和幅值誤差。電能表一般采用電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，受外界磁場(chǎng)干擾小。且外界磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電能表的額定電壓，產(chǎn)生的電能誤差可忽略不計(jì)。電流一般采用錳銅分流器或互感器[4]進(jìn)行采樣,兩者對(duì)交變磁場(chǎng)干擾較為敏感。外加交變磁場(chǎng)在被測(cè)儀表的電流測(cè)量回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而引入誤差[5]。

式中：
W’:工頻磁場(chǎng)干擾下電能值。下文以單相電能表為例進(jìn)行分析，三相電能表亦然。
當(dāng)勵(lì)磁電流通過亥姆霍茲線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)。磁場(chǎng)垂直通過電能表電流測(cè)量回路會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。

亥姆霍茲線圈幾何中心0點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度400 A/m，則：

式中：
N = 1 T
S：電流回路等效面積。
R：電流回路等效電阻。
圖2中亥姆霍茲線圈角度為0°。當(dāng)工頻交變磁場(chǎng)相位一定時(shí)，亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)θ，通過電能表Y正交截面的有效磁通減少，從而產(chǎn)生的感應(yīng)電流由I1變成I1cosθ。圖3為磁場(chǎng)垂直通過Y正交截面，圖4為磁場(chǎng)以θ通過Y正交截面。




當(dāng)θ為定值且工頻磁場(chǎng)相位改變，感應(yīng)電流ΔI相位隨之改變，電能表電流相位旋轉(zhuǎn)ε，使得電能表功率因數(shù)角由0°變成ε，產(chǎn)生誤差。電壓電流功率因數(shù)角矢量圖如圖5所示：




5.計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件
計(jì)算機(jī)軟件操作界面分成三部分：工具欄、檢定項(xiàng)目窗口、檢定數(shù)據(jù)窗口。操作步驟如下：
第一步：錄入電能表型號(hào)和制造商等信息。
第二步：設(shè)置檢定項(xiàng)目參數(shù)及檢定點(diǎn)。生成檢定數(shù)據(jù)。并保存為方案，方便下次測(cè)量直接調(diào)用。
第三步：檢定。超差檢定點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警。
第四步：數(shù)據(jù)處理及保存，最后導(dǎo)出Word報(bào)表打印。
軟件主界面如圖6所示



6.檢定系統(tǒng)的應(yīng)用

云南電網(wǎng)使用本檢定系統(tǒng)對(duì)某公司0.2級(jí)三相四線電能表、1.0級(jí)單相電能表進(jìn)行檢定。
（1）0.2級(jí)三相四線電子式多功能電能表（變換電路為互感器）規(guī)格：3×100 V,3×1.5 A,5000 imp/kWh。表1為磁場(chǎng)垂直作用電能表X、Y、Z正交截面磁場(chǎng)引入的電能誤差。
表1三相四線電能表磁場(chǎng)引入誤差
Tab.1 Error due to alternating magnetic field of three phase four wire meter

Δφ		0°	90°	180°	270°
δ(%)	X面	-0.004	0.05	0.01	0.05
	Y面	-0.01	0.03	-0.01	-0.02
	Z面	-0.01	-0.02	0.01	0.02

表中Δφ為勵(lì)磁電流同電能表工作電壓的相位差。
（2）1.0級(jí)單相電子式多功能電能表（變換電路為分流器），規(guī)格：220 V，5 A，3200 imp/kWh。
其測(cè)試曲線圖如圖7所示，圖7中紅色曲線為Δφ=90°時(shí)，磁場(chǎng)方向θ與磁場(chǎng)引入電能誤差曲線。藍(lán)色曲線為勵(lì)磁電流與工作電壓相位角與電能誤差曲線。


其中最不利相位為±90°，最不利方向?yàn)榇艌?chǎng)垂直方向，即文中定義的電能表Z正交截面方向。因?yàn)榇蟛糠蛛娔鼙矸至髌骱突ジ衅餍璨捎闷教傻陌惭b方式。

7.結(jié)論
電流變換回路采用分流器較互感器電能表易受工頻交變磁場(chǎng)影響。在最不利相位和最不利方向同時(shí)成立的情況下，上文中1.0級(jí)單相電能表磁場(chǎng)引入的誤差超出《JJF12453-2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱特殊要求靜止式有功電能表（0.2S、0.5S、1和2級(jí)）》要求。
生產(chǎn)廠家為了提高抗電磁干擾能力，可在電能表殼內(nèi)襯添加薄層高磁導(dǎo)率材料作為總屏蔽層，減少電磁干擾。
參考文獻(xiàn)
[1]JJF1245.3-2010,安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱特殊要求靜止式有功電能表（0.2S、0.5S、1和2級(jí)）[S]
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[4]李寶樹.電磁測(cè)量技術(shù)[M].北京.中國(guó)電力出版社.
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