基于工频交变磁场干扰的电能误差测量系统

1. 引言
随着我国智能电网建设进程的不断推进以及相应的居民递增式阶梯电价改革模式的提出，对电能表等相关电能计量工具的要求也随之提高。根据规程《 JJF 12453-2010 安装式电能表型式评价大纲 特殊要求 静止式有功电能表（0.2 S、0.5 S、1 和 2 级）》要求[1]，0.5 mT 磁感应强度由与施加给被测仪表电压同频率的电流产生，并在对被测仪表最不利的相位和方向的条件下，测试被测表的附加误差。
      关于恒定磁场对电能表计量误差影响实验研究一般采用永久磁体作为磁场发生器。通过一块或多块永久磁铁贴在电能表不同表面进行试验。装置简单，易于操作。而交变磁场的影响试验研究装置相对复杂。需产生旋转的交变磁场并作用于电能表三个方位正交截面。本文选用亥姆霍兹线圈作为磁场发生器，同时旋转电能表完成测量。


2. 检定系统
本文设计的系统，以微机为中心控制多装置实现全自动化测量。利用精密步进电机准确调节磁场偏转角度，实现磁场 0~360° 全方位干扰，检测“最不利方向”。改变励磁电流同电能表工作电压相位及改变磁场相位，检测“最不利相位”。
计算机通过 RS232 通讯接口发送命令至控制台，调节源装置输出电压电流至标准表和被检表，使其正常工作，测量被检表电能误差 δ0[2]。然后调节源装置输出励磁电流至亥姆霍兹线圈，使亥姆霍兹线圈几何中心磁场强度 H 达 400 A/m。根据设定的磁场方向，调节亥姆霍兹线圈旋转。在不同的磁场方向改变励磁电流与电能表工作电压相位，计算电能误差 δi。测试完毕后，顺时针旋转电能表90°，再测量电能误差。最后通过比较 δ0 和 δi 值，计算出磁场引入的电能误差 δ。
δ = δi - δ0
图 1 为检定三相三线电能表原理图。



1.1 主要部件介绍
a) 计算机自动测量软件：是整个检定系统的指挥中心。计算机通过 RS232 线同控制箱进行通信。首先客户通过人机对话界面设定参数包括励磁电流相位，亥姆霍兹线圈旋转角度，电能表参数等。接着计算机发送命令至控制台调节亥姆霍兹线圈旋转角度、励磁电流相位及源输出电压电流至标准表和被检表。与此同时，处理由控制台从硬件底层传递的测量数据，如计算被检表电能误差以及磁场引入的电能误差。最后进行报表打印、数据保存等。
b) 控制台：控制台是整个硬件装置的核心，是硬件装置同计算机通讯的桥梁。它既可以连接计算机进行全自动检定，也可以脱离计算机软件单独控制硬件进行半自动检定。控制台接收到计算机命令后控制源装置输出电流和电压至标准表和被检表。同时控制步进电机旋转，调节亥姆霍兹线圈和电能表旋转的角度。最后将测量数据传递给计算机处理。在检测电能超差点时，发出报警信号。
c) 控制箱：控制精密步进电机驱动亥姆霍兹线圈和电能表旋转台转动。步进电机细分度可达 60000/360°。
d) 亥姆霍兹线圈：直径为 1 m，磁通势为 400 安匝；产生旋转的 0~360° 工频交变磁场。通过精密电机控制可以定位任意角度，测量“最不利方向”。
      e) 源装置：三相源和励磁源。三相源电压输出范围：30 V~ 450 V；交流电流输出范围：5 mA ~ 120 A；频率输出范围：45 Hz ~ 65 Hz。电能测量准确度：0.05%。励磁源产生的磁场范围：0 ~ 400 A/m；调节细度：1 A/m；交流磁场稳定度：0.05%；交流磁场相位调节范围：0~360°，调节细度：0.01°。



1.2 嵌入式软件介绍
嵌入式软件采用基于 freeRTOS 实时操作系统平台。软件的主要功能包括：三相源功能、工频交变磁场功能、电能误差测试、调节亥姆霍兹线圈旋转等功能。检测系统软件实现流程：
a) 初始化。将微处理器，软件操作系统、硬件进行初始化。
b) 建立进程。包括建立按键进程、数据处理进程、界面显示进程、通信进程、故障处理进程等。
c) 调用进程，实现软件控制。上位机调用通讯进程与软件进行通讯，或者是客户通过触摸屏或按键调用按键进程进行状态设置、量程设置、工频交变磁场设置、旋转角度设置、功能设置、系统设置等。再调用数据处理进程进行电压电流控制输出、交变磁场大小和磁场相位控制、亥姆霍兹线圈角度调节，进行电能误差计算、超差报警等。
d) 驱动底层，控制硬件运行。



3. 检定系统创新点
一些电能表生产厂家在做磁场干扰试验时，需手摇亥姆霍兹线圈旋转，此时磁场方向会引入较大的误差。仅能检定几个磁场方向的误差，测量数据单一。本文设计的亥姆霍兹线圈[3]结构示意图如图 2 所示，其中亥姆霍兹线圈（1）置于两个环形板中，两个环形板通过置于固定孔（9）中的4个尼龙棒进行连接和固定。该线圈两端分别置有亥姆霍兹线圈旋转控制电机（4）和碳刷（6），通过电机控制可以绕 X 轴 0~360° 旋转。随着亥姆霍兹线圈旋转，轴向交变磁场 B 在 YOZ 平面旋转，可对电能表两个正交截面进行试验。
电能表旋转台（2）通过托架（3）与亥姆霍兹线圈（1）连接。被检电能表（12）置于电能表旋转台（2）上，通过计算机程控或手动控制。电能表可以在 XOY 平面内 0~360° 旋转，并可停留在任意方向。即可对电能表剩下的一个正交截面进行试验。在上电时自动回归初始位置。0 点是亥姆霍兹线圈几何中心，Y 轴为亥姆霍兹线圈轴向方向。



4. 误差分析
       当电能表在交变磁场干扰下，计算电能误差 δi 时会引入相位误差和幅值误差。电能表一般采用电阻网络对电压进行采样，受外界磁场干扰小。且外界磁场产生的感应电压远远小于电能表的额定电压，产生的电能误差可忽略不计。电流一般采用锰铜分流器或互感器[4]进行采样,两者对交变磁场干扰较为敏感。外加交变磁场在被测仪表的电流测量回路中产生感应电流，从而引入误差[5]。

式中：
       W’: 工频磁场干扰下电能值。下文以单相电能表为例进行分析，三相电能表亦然。
当励磁电流通过亥姆霍兹线圈时，会产生正弦交变磁场。磁场垂直通过电能表电流测量回路会感应出电动势，从而产生感应电流。

      亥姆霍兹线圈几何中心 0 点磁场强度 400 A/m，则：

式中：
N = 1 T
S：电流回路等效面积。
R：电流回路等效电阻。
      图 2 中亥姆霍兹线圈角度为 0°。当工频交变磁场相位一定时，亥姆霍兹线圈旋转 θ，通过电能表 Y 正交截面的有效磁通减少，从而产生的感应电流由 I1变成 I1cosθ。图 3 为磁场垂直通过Y正交截面，图 4 为磁场以 θ 通过 Y正交截面。




当 θ 为定值且工频磁场相位改变，感应电流 ΔI 相位随之改变，电能表电流相位旋转 ε，使得电能表功率因数角由 0° 变成 ε，产生误差。电压电流功率因数角矢量图如图 5 所示：




5. 计算机测量软件
      计算机软件操作界面分成三部分：工具栏、检定项目窗口、检定数据窗口。操作步骤如下：
第一步：录入电能表型号和制造商等信息。
第二步：设置检定项目参数及检定点。生成检定数据。并保存为方案，方便下次测量直接调用。
第三步：检定。超差检定点系统发生报警。
第四步：数据处理及保存，最后导出 Word 报表打印。
软件主界面如图 6 所示



6. 检定系统的应用

   云南电网使用本检定系统对某公司 0.2 级三相四线电能表、1.0 级单相电能表进行检定。
（1）0.2 级三相四线电子式多功能电能表  （变换电路为互感器）规格： 3×100 V,3×1.5 A,5000 imp/kWh。表1为磁场垂直作用电能表 X、Y、Z 正交截面磁场引入的电能误差。
表1 三相四线电能表磁场引入误差
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为励磁电流同电能表工作电压的相位差。
（2）1.0 级单相电子式多功能电能表（变换电路为分流器），规格：220 V，5 A，3200 imp/kWh。
其测试曲线图如图 7 所示，图 7 中红色曲线为 Δφ=90° 时，磁场方向 θ 与磁场引入电能误差曲线。蓝色曲线为励磁电流与工作电压相位角与电能误差曲线。


其中最不利相位为 ±90°，最不利方向为磁场垂直方向，即文中定义的电能表 Z 正交截面方向。因为大部分电能表分流器和互感器需采用平躺的安装方式。
 
7. 结论
电流变换回路采用分流器较互感器电能表易受工频交变磁场影响。在最不利相位和最不利方向同时成立的情况下，上文中1.0级单相电能表磁场引入的误差超出《JJF12453-2010 安装式电能表型式评价大纲 特殊要求静止式有功电能表（0.2S、0.5S、1和2级）》要求。
生产厂家为了提高抗电磁干扰能力，可在电能表壳内衬添加薄层高磁导率材料作为总屏蔽层，减少电磁干扰。
参考文献
[1] JJF1245.3-2010, 安装式电能表型式评价大纲 特殊要求 静止式有功电能表（0.2S、0.5S、1和2级）[S]
[2] JJG596-2012 电子式交流电能表检定规程[S]
[3] （波兰）Slawomir Tumansk  Handbook of Magnetic Measurements[M].北京：机械工业出版社
[4] 李宝树.电磁测量技术[M].北京.中国电力出版社.
[5] 周碧红，石雷兵，韩志强等.工频外磁场对电子式电能表影响[J].上海计量测试，2011,6