基于工頻交變磁場干擾的電能誤差測量系統

1.引言
隨著我國智能電網建設進程的不斷推進以及相應的居民遞增式階梯電價改革模式的提出，對電能表等相關電能計量工具的要求也隨之提高。根據規程《JJF 12453-2010安裝式電能表型式評價大綱特殊要求靜止式有功電能表（0.2 S、0.5 S、1和2級）》要求[1]，0.5 mT磁感應強度由與施加給被測儀表電壓同頻率的電流產生，并在對被測儀表最不利的相位和方向的條件下，測試被測表的附加誤差。
關于恒定磁場對電能表計量誤差影響實驗研究一般采用永久磁體作為磁場發生器。通過一塊或多塊永久磁鐵貼在電能表不同表面進行試驗。裝置簡單，易于操作。而交變磁場的影響試驗研究裝置相對復雜。需產生旋轉的交變磁場并作用于電能表三個方位正交截面。本文選用亥姆霍茲線圈作為磁場發生器，同時旋轉電能表完成測量。


2.檢定系統
本文設計的系統，以微機為中心控制多裝置實現全自動化測量。利用精密步進電機準確調節磁場偏轉角度，實現磁場0~360°全方位干擾，檢測“最不利方向”。改變勵磁電流同電能表工作電壓相位及改變磁場相位，檢測“最不利相位”。
計算機通過RS232通訊接口發送命令至控制臺，調節源裝置輸出電壓電流至標準表和被檢表，使其正常工作，測量被檢表電能誤差δ0[2]。然后調節源裝置輸出勵磁電流至亥姆霍茲線圈，使亥姆霍茲線圈幾何中心磁場強度H達400 A/m。根據設定的磁場方向，調節亥姆霍茲線圈旋轉。在不同的磁場方向改變勵磁電流與電能表工作電壓相位，計算電能誤差δi。測試完畢后，順時針旋轉電能表90°，再測量電能誤差。最后通過比較δ0和δi值，計算出磁場引入的電能誤差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)計算機自動測量軟件：是整個檢定系統的指揮中心。計算機通過RS232線同控制箱進行通信。首先客戶通過人機對話界面設定參數包括勵磁電流相位，亥姆霍茲線圈旋轉角度，電能表參數等。接著計算機發送命令至控制臺調節亥姆霍茲線圈旋轉角度、勵磁電流相位及源輸出電壓電流至標準表和被檢表。與此同時，處理由控制臺從硬件底層傳遞的測量數據，如計算被檢表電能誤差以及磁場引入的電能誤差。最后進行報表打印、數據保存等。
b)控制臺：控制臺是整個硬件裝置的核心，是硬件裝置同計算機通訊的橋梁。它既可以連接計算機進行全自動檢定，也可以脫離計算機軟件單獨控制硬件進行半自動檢定。控制臺接收到計算機命令后控制源裝置輸出電流和電壓至標準表和被檢表。同時控制步進電機旋轉，調節亥姆霍茲線圈和電能表旋轉的角度。最后將測量數據傳遞給計算機處理。在檢測電能超差點時，發出報警信號。
c)控制箱：控制精密步進電機驅動亥姆霍茲線圈和電能表旋轉臺轉動。步進電機細分度可達60000/360°。
d)亥姆霍茲線圈：直徑為1 m，磁通勢為400安匝；產生旋轉的0~360°工頻交變磁場。通過精密電機控制可以定位任意角度，測量“最不利方向”。
e)源裝置：三相源和勵磁源。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。電能測量準確度：0.05%。勵磁源產生的磁場范圍：0 ~ 400 A/m；調節細度：1 A/m；交流磁場穩定度：0.05%；交流磁場相位調節范圍：0~360°，調節細度：0.01°。



1.2嵌入式軟件介紹
嵌入式軟件采用基于freeRTOS實時操作系統平臺。軟件的主要功能包括：三相源功能、工頻交變磁場功能、電能誤差測試、調節亥姆霍茲線圈旋轉等功能。檢測系統軟件實現流程：
a)初始化。將微處理器，軟件操作系統、硬件進行初始化。
b)建立進程。包括建立按鍵進程、數據處理進程、界面顯示進程、通信進程、故障處理進程等。
c)調用進程，實現軟件控制。上位機調用通訊進程與軟件進行通訊，或者是客戶通過觸摸屏或按鍵調用按鍵進程進行狀態設置、量程設置、工頻交變磁場設置、旋轉角度設置、功能設置、系統設置等。再調用數據處理進程進行電壓電流控制輸出、交變磁場大小和磁場相位控制、亥姆霍茲線圈角度調節，進行電能誤差計算、超差報警等。
d)驅動底層，控制硬件運行。



3.檢定系統創新點
一些電能表生產廠家在做磁場干擾試驗時，需手搖亥姆霍茲線圈旋轉，此時磁場方向會引入較大的誤差。僅能檢定幾個磁場方向的誤差，測量數據單一。本文設計的亥姆霍茲線圈[3]結構示意圖如圖2所示，其中亥姆霍茲線圈（1）置于兩個環形板中，兩個環形板通過置于固定孔（9）中的4個尼龍棒進行連接和固定。該線圈兩端分別置有亥姆霍茲線圈旋轉控制電機（4）和碳刷（6），通過電機控制可以繞X軸0~360°旋轉。隨著亥姆霍茲線圈旋轉，軸向交變磁場B在YOZ平面旋轉，可對電能表兩個正交截面進行試驗。
電能表旋轉臺（2）通過托架（3）與亥姆霍茲線圈（1）連接。被檢電能表（12）置于電能表旋轉臺（2）上，通過計算機程控或手動控制。電能表可以在XOY平面內0~360°旋轉，并可停留在任意方向。即可對電能表剩下的一個正交截面進行試驗。在上電時自動回歸初始位置。0點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
當電能表在交變磁場干擾下，計算電能誤差δi時會引入相位誤差和幅值誤差。電能表一般采用電阻網絡對電壓進行采樣，受外界磁場干擾小。且外界磁場產生的感應電壓遠遠小于電能表的額定電壓，產生的電能誤差可忽略不計。電流一般采用錳銅分流器或互感器[4]進行采樣,兩者對交變磁場干擾較為敏感。外加交變磁場在被測儀表的電流測量回路中產生感應電流，從而引入誤差[5]。

式中：
W’:工頻磁場干擾下電能值。下文以單相電能表為例進行分析，三相電能表亦然。
當勵磁電流通過亥姆霍茲線圈時，會產生正弦交變磁場。磁場垂直通過電能表電流測量回路會感應出電動勢，從而產生感應電流。

亥姆霍茲線圈幾何中心0點磁場強度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°。當工頻交變磁場相位一定時，亥姆霍茲線圈旋轉θ，通過電能表Y正交截面的有效磁通減少，從而產生的感應電流由I1變成I1cosθ。圖3為磁場垂直通過Y正交截面，圖4為磁場以θ通過Y正交截面。




當θ為定值且工頻磁場相位改變，感應電流ΔI相位隨之改變，電能表電流相位旋轉ε，使得電能表功率因數角由0°變成ε，產生誤差。電壓電流功率因數角矢量圖如圖5所示：




5.計算機測量軟件
計算機軟件操作界面分成三部分：工具欄、檢定項目窗口、檢定數據窗口。操作步驟如下：
第一步：錄入電能表型號和制造商等信息。
第二步：設置檢定項目參數及檢定點。生成檢定數據。并保存為方案，方便下次測量直接調用。
第三步：檢定。超差檢定點系統發生報警。
第四步：數據處理及保存，最后導出Word報表打印。
軟件主界面如圖6所示



6.檢定系統的應用

云南電網使用本檢定系統對某公司0.2級三相四線電能表、1.0級單相電能表進行檢定。
（1）0.2級三相四線電子式多功能電能表（變換電路為互感器）規格：3×100 V,3×1.5 A,5000 imp/kWh。表1為磁場垂直作用電能表X、Y、Z正交截面磁場引入的電能誤差。
表1三相四線電能表磁場引入誤差
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為勵磁電流同電能表工作電壓的相位差。
（2）1.0級單相電子式多功能電能表（變換電路為分流器），規格：220 V，5 A，3200 imp/kWh。
其測試曲線圖如圖7所示，圖7中紅色曲線為Δφ=90°時，磁場方向θ與磁場引入電能誤差曲線。藍色曲線為勵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°，最不利方向為磁場垂直方向，即文中定義的電能表Z正交截面方向。因為大部分電能表分流器和互感器需采用平躺的安裝方式。

7.結論
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影響。在最不利相位和最不利方向同時成立的情況下，上文中1.0級單相電能表磁場引入的誤差超出《JJF12453-2010安裝式電能表型式評價大綱特殊要求靜止式有功電能表（0.2S、0.5S、1和2級）》要求。
生產廠家為了提高抗電磁干擾能力，可在電能表殼內襯添加薄層高磁導率材料作為總屏蔽層，減少電磁干擾。
參考文獻
[1]JJF1245.3-2010,安裝式電能表型式評價大綱特殊要求靜止式有功電能表（0.2S、0.5S、1和2級）[S]
[2]JJG596-2012電子式交流電能表檢定規程[S]
[3]（波蘭）Slawomir Tumansk Handbook of Magnetic Measurements[M].北京：機械工業出版社
[4]李寶樹.電磁測量技術[M].北京.中國電力出版社.
[5]周碧紅，石雷兵，韓志強等.工頻外磁場對電子式電能表影響[J].上海計量測試，2011,6