电磁干扰对智能电能表的影响

张 志，胡水菁，代燕杰，陈祉如，王平欣

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003；2.山东省实验中学，济南 250001）

电磁干扰对智能电能表的影响

张 志1，胡水菁2，代燕杰1，陈祉如1，王平欣1

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003；2.山东省实验中学，济南 250001）

随着智能电网建设的快速推进，智能电能表得到大规模应用。与传统电能表不同，智能电能表含有大量电子元器件，易受电磁干扰。在全性能检测中，不能完全建立现场运行及人为原因带来的高强度电磁干扰环境。如存在干扰源干扰表计的情况，会造成CPU及芯片损坏，导致电能表失效，且不易被发现。从干扰源、电磁场等方面对窃电机理进行分析，提出防窃电措施。改进后的智能表能够有效防范电磁干扰窃电。

智能电能表；强电磁干扰；窃电；机理分析

0 引言

窃电行为由于其隐蔽性、分散性及多样化等特点，严重损害了供电企业的合法权益，扰乱了正常的供用电秩序。随着智能电能表的广泛应用，简单的窃电方法逐渐减少，针对智能电能表的高科技窃电方法层出不穷。

文献［1-3］对欠压法、欠流法以及移相法等窃电方法进行了描述，提出了预防措施。文献［4］定性的对发展及发达两大环境下的代表地区进行窃电分析。在窃电及隐私权控制方面，文献［5］从理论上提出一种对策论模型。在安全方面，文献［6］将遗传算法与支持向量机算法相结合，提出一种基于遗传算法支持向量机的防窃电检测方法。以上文献仅是针对传统的窃电方法进行研究。随着科技的发展，针对智能电能表的窃电方式也更加隐蔽和智能化。智能电能表含有大量的电子元器件，极易受强电磁干扰的影响。普通塑料表箱无法阻止强电磁干扰，可造成电能表失效或非正常工作，但是用户依旧可以正常用电。

在智能电网大力推广的新形势下，开展防窃电工作，对于供电企业非常重要。保证智能电能表在强电磁干扰的情况下正常工作，不受窃电用户控制，成为首要关心的问题。

1 窃电机理分析

在智能电能表运行现场，人为原因造成的强电磁干扰对对智能电能表干扰最严重。窃电者通过各种方式制作高频高压干扰源，干扰电能表正常工作。目前，窃电者使用最多的干扰源如图1所示。

为了准确有效地反映高频电磁干扰源的特性，干扰源的建模必须能够建立影响智能电能表正常运行的电磁干扰因素。对于高频电击器来说，要建立电场和磁场的细节，必须提取出电击器线圈的辐射特性。分析现场发现的窃电干扰源，其原理如图2所示。

图1 电磁脉冲干扰源

图2 干扰源原理

由图2可知，电池的直流电源通过放大、整流升压到直流30 kV，通过高压电容充电蓄能，当电容充满电后通过前方的放电电极放电，产生拉弧现象。此时，会在圆形线圈中通过脉冲电流，进而在其周围产生高频变化的磁场。

这种干扰源功率小但电压极高，电源采用2～4节可充电的镍氢电池或锂电池，体积小，便于藏匿。由于干扰源电压能达到10～100 kV，加上放电线圈的影响，可产生2 MHz左右的高频高压电磁波辐射。当放电线圈靠近表计放电时，由电磁感应原理可知，表计内部线路会感应出同样频率的脉冲，脉冲幅值可达数百伏，对表计3.3 V或5 V的弱电系统形成极大伤害，甚至会造成MCU死机，或者直接击穿晶体管而损坏。不论是死机还是损坏，智能电能表均不再能进行计量，从而达到窃电目的。将干扰源的空心线圈靠近环路线圈，得到感应电压波形如图3所示。

图3 电击器感应电压波形

图3中，每一纵格代表200 V，电击器线圈的能量在数字示波器上可以感应到高达数千伏的电压（图中最高电压达1 600 V，脉冲前沿频率在109数量级），通过辐射与传导耦合，能量会传递到智能电能表的内部，直接损坏CPU及计量芯片。

目前，通过对现场发现的表计进行分析，高压电击器故障现象分为两种：一种是直接击坏，另一种是电击后表计黑屏死机，再电击一次即可恢复。对于这种窃电方式，文献［7-10］提出当检测到外部强电磁干扰时，实现对电能表跳闸断电，阻止窃电行为，并上报采集系统。但在实际情况下，往往电能表来不及上报，表计已经烧毁，这种方法不能从根本上解决此问题。因此，要从根本上解决由电磁脉冲干扰窃电带来的影响及损失，必须对智能电能表进行改进。

2 改进措施

2.1 屏蔽措施

电磁干扰信号一般是通过空间辐射传递到智能电能表内部然后影响内部的电子线路工作。金属板在高频变化的电磁场中会产生涡流，从而大幅度衰减干扰信号。若在环路线圈与电击器辐射线圈之间加入一层薄金属板，环路线圈检测到的感应电压会大幅度降低。新型防窃电智能电能表通过PCB板的铜层以及外部附加的金属屏蔽层来实现对高频电磁干扰信号的衰减，进一步提升智能电能表整体的抗电磁干扰能力，如图4所示。

图4 加金属屏蔽层的智能电能表

由图4可知，红线圈住的部分为金属屏蔽层，对加屏蔽层后的智能电能表进行电击干扰，其感应电压波形如图5所示。

图5 加金属屏蔽层后感应电压波形

由图5可知，加金属屏蔽层后，智能电能表感应到的电压会大幅降低。另外，智能电能表内部的电源是所有功能实现的基础，当电源受到干扰而出现异常时，智能电能表可能出现不计量、少计量等严重问题。目前普通智能电能表内部电源使用的工频电源变压器在受到强磁场作用时会出现磁饱和的现象而导致输出大幅下降，从而使电能表无法正常工作。新型防窃电智能电能表内部电源变压器采用高导磁率、低损耗的硅钢片制作并外加抗强磁屏蔽层，能够大幅提升电能表抗强磁场的能力，维持智能电能表在强磁干扰环境下电源的正常工作。

2.2 电路布局优化

智能电能表内部有大量的集成芯片及电子元器件，通过PCB板及板上的线路构成一个完整的计量系统。电子器件及集成芯片都对电磁信号敏感，在受到强电磁干扰时，可能会出现闩锁现象，导致电子器件或集成芯片功能丧失。如果受干扰的是电源芯片，可能会使稳压电路输出异常。输出偏低时，表计停止工作；输出升高时，则可能会造成其他器件过压损坏。在智能电能表中对强电磁干扰敏感的元器件有电源芯片、复位芯片、时钟芯片、单片机、红外接收器等。

元器件与电子线路外围也构成很多类似于传感空心线圈的回路，感应电压的强弱与PCB板上电路的整体布局设计紧密相关。通过理论分析及大量试验，在改进措施中对电路设计进行了充分优化，尽可能地降低线路对电磁干扰信号的敏感度，从而减少电磁干扰信号对电路的损害或不利影响。

2.3 关键器件保护

智能电能表内部电路MCU微处理器、计量芯片的重要部位如电源供电、复位、时钟信号等，最容易受到干扰而直接导致工作异常。窃电干扰器是通过产生高频、高幅值的瞬间强电磁信号破坏智能电能表。可以利用陶瓷电容对高频信号的低阻抗特性，以及压敏或瞬变抑制器对瞬间高幅值信号的强吸收特性，在电路上的敏感位置增加保护及滤波器件如压敏器件、瞬变抑制器件、陶瓷电容等，大幅提升关键器件对电磁干扰信号的耐受能力。

经过对重要器件有针对性地进行防护电路改进，智能电能表抗干扰能力明显加强，在连续干扰的条件下，未发现有黑屏、复位、数据错乱现象。

2.4 电磁干扰检测

干扰源线圈这种窃电方式隐蔽性极强，在智能电能表改进措施中，需要设计强电磁干扰检测电路，为追查窃电行为提供依据。

在智能电能表设计时，增加强电磁干扰检测电路，检测外部电磁信号耦合至表内检测线圈，由CPU进行软件处理。智能电能表将此干扰行为作为事件记录进行保存，并在DL／T 645—2007中扩展相应的通信协议，可以通过通信接口（载波、RS485接口）及时上传至管理监控系统，对此类破坏或窃电行为进行监控。在智能电能表受到强磁场干扰时能够记录磁干扰事件及发生时间等信息，并能在智能电能表异常事件发生后进行追溯。但是，当智能电能表受到严重干扰，CPU损坏的情况下，往往不能及时做出处理。

3 结语

强电磁干扰窃电具有隐蔽性强的特点，窃电实施方便，现场认证非常困难。为了解决目前智能电能表在防强电磁干扰窃电方面的不足，针对目前干扰源的窃电机理进行分析，提出了智能电能表改进措施。现场运行情况表明，改进后的智能电能表不仅可以有效防范电磁脉冲干扰窃电，而且为窃电取证提供了有力依据。

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Analysis on Influence of Electromagnetic Interference on Smart Energy Meters

ZHANG Zhi1，HU Shuijing2，DAI Yanjie1，CHEN Zhiru1，WANG Pingxin1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shangdong Experimental High school，Jinan 250001，China）

Smart energy meters have been widely used with the construction of smart grid.Unlike the traditional watt-hour meter， the smart energy meter contains many electronic components， which makes it to be easily affected by strong electromagnetic pulse interference.Strong electromagnetic environment induced by operation and human factors can not be fully established in performance testing.When the meter is interfered，CPU and chips should be damaged，the meter will be failure，and the pilfer-electricity is difficult to detect.The electricity stealing mechanism is analyzed in aspects of interference sources and electromagnetic fields，and improved measures are proposed.The improved smart energy meter can efficiently solve the issue of electricity stealing.

smart energy meter；strong electromagnetic interference；electricity stealing；mechanism analysis

TM933

A

1007－9904（2017）01－0029－03

2016-08-27

张 志（1984），男，工程师 ，从事电能表计量工作。