智能电表的电磁兼容测试与抗干扰研究说明

智能电表的电磁兼容测试与抗干扰研究

摘要：为了提高现代智能电表设计中的抗干扰性能和增强电表工作时系统的稳定性，本文主要从电快速脉冲群抗扰度测试、辐射电磁抗扰度测试及传导电磁干扰抗扰度测试三个方面对智能电表进行电磁兼容测试. 此外，还研究了几种抗干扰技术以及通过实践研究总结的一些电磁兼容测试的简易测试方案.

关键词：电磁兼容，测试方法，智能电表，抗干扰

由于智能电表的设计中引入了微控制器，这对设备的电磁兼容性能提出了更高的要求. 主要原因是外界的电磁干扰可能导致程序控制的指针“跑飞”，可能导致电量数据的错误、丢失甚至系统的混乱. 由于电表在电网系统中的特殊地位，不可能像其他电子设备一样经常性地通过复位使其恢复初始状态来处理设备异常工作甚至死机等现象. 因此，必须从源头上采取提高智能电表电磁兼容性能的措施，以加强其抗干扰能力，确保其在规定的条件下正常稳定运行.

针对以上问题和对智能电表在实际工作中的电磁环境分析，我们主要从电快速脉冲群（EFT)干扰、辐射电磁干扰（Radiated EMI）和传导电磁干扰（Conducted EMI）三个方面考察智能电表的电磁兼容性能.

1 测试方法

1.1 电快速脉冲群抗扰度测试方法

EFT干扰是由于电路中的机械开关对电感性负载的切换产生的，它会对电路中的其他电气和电子设备产生干扰. 这种干扰的特点是：脉冲成群出现、重复频率高（脉冲重复频率：5KHz，脉冲群重复周期：300ms）、脉冲波形上升时间短（5ns）. 脉冲群对电路中的半导体器件的结电容充电，当电容上的能量累积到一定程度时就会引起设备的误动作.

EFT抗扰度测试主要就是验证干扰施加在受试设备（EUT，本文中指的是智能电表）的电源及I/O线路上时设备的抗干扰能力. 电源线是通过耦合/去耦网络施加干扰的，而I/O线路则是通过电容耦合夹施加干扰的. 测试中无论是施加在电源线上的干扰还是I/O 线路上的干扰都是不对称干扰（是指线与大地之间的干扰，即共模干扰），这也就为如何抑制EFT干扰提供了着手点.

对于智能电表，我们采用台式设备的测试方法. 首先，检查电表的功能性能；然后，按照测试标准连接设备，示意图如图1；其次，按照产品技术条件确定实验等级，让EFT发生器输出开路，接示波器，设定EFT 发生器的各个参数；接着，将EFT发生器的输出接耦合/去耦网络或电容耦合夹，对智能电表施加脉冲群，要求每种试验电压下做3次试验，每次1min，间隔1min，一种极性做完后换另一种极性，一根线做完后再换另一根，同时观察智能电表功能是否正常；最后，断开所有连接，重新检查智能电表功能是否正常，并记录试验结果，编制试验报告。

图1 EFT试验设备布置与连接示意图

作为智能电表设计初级阶段的简易EFT抗扰度测试方法，我们可以采用图2所示的方法粗略验证EUT 的电磁兼容性能。如图2所示，在EUT上绕上数圈（圈数与试验严酷等级成正比，一般10圈相对而言已经比较严酷），通过控制信号控制继电器的闭合从而控制外围线圈的通断电，模拟了EFT干扰。该方法可以对EUT 做初步的测试。

图2 EFT简易测试图

1.2 射频辐射电磁场抗扰度测试方法

射频辐射电磁场干扰（R-EMI）主要是由电台、电视台、固定或移动式无线电发射台和各种工业辐射源产生的。标准IEC61000-4-3:2002主要把个人使用的移动电话作为辐射源的重点考虑点，原因是移动电话使用的普遍性和其在局部范围内辐射干扰比较强。试验的频率定为80MHz~2GHz，而其上限频率今后可能扩展到更高。标准要求用1kHz的正弦波对载波频率进行幅度调制，以便模拟语音信号对载频的幅度调制情况[*].

试验中对不同的频段采用不同的天线产生所需的电磁场。双锥天线的适用频段为20~200MHz，对数周期天线适用频段为200~1000MHz，对于1~2GHz的频段可以采用角锥喇叭天线和双脊波导天线。试验需要在电波暗室内进行，试验框图如图3所示。图中天线（包括升降塔、转台）、均匀场及场强探头均处在电波暗室内，通过计算机控制信号发生器和功率放大器从而实现对场强的控制。

图3 试验框图

测试过程是这样的：首先，按照设备技术要求确定试验等级，不加正弦调制信号产生试验等级要求强度的均匀场（覆盖所有测试频段）；其次，使用校准过程中确定的电平，以正弦波对其调幅（深度80%），信号发生器扫频速度不超过 1.5×10-3十倍频程/秒；最后，将试品放在转台上，让设备各面都接受试验（试品在一个面上做两次试验，天线分别处于垂直和水平位置上），观察其功能和性能是否正常。

考虑到试验设备复杂、成本昂贵以及受试设备（智能电表）体积不大的特点，在工程应用中我们常采用吉赫兹横电磁波室（GTEM小室）对其进行R-EMI测试。试验组成如图4所示，N型接头向小室传播的为近似平面波（实际为球面波，但张角很小），小室芯板与底板之间形成均匀场区（芯板和底板扮演了天线的角色，要改变场的极化方向只能改变电表的相对方向来实现）。为做到不因电表的置入而过于影响场的均匀性，电表不得超过芯板与底板之间高度的1/3。GTEM小室内场强E=kV/h，其中k为比例系数，V为N型接头输入的信号电压，h为芯板距底板的垂直距离。测试方法与前面所示测试方法相似。

图4 GTEM小室测试

1.3 由射频场感应所引起的传导干扰抗扰度测试方法

传导干扰（C-EMI）通常是由电焊机、可控硅整流器、荧光灯及在开关电感性负载时产生的。其所涉及频段为150kHz~80MHz，刚好与前面的R-EMI相对应。该试验主要考虑到低频段时设备引线的长度可能达到干扰波的几个波长，这样引线就变成了被动天线接收射频场的感应，变为传导干扰进入设备内部，最终以射频电压和电流形式的近场电磁场影响设备的工作。

试验整体框图如图5所示，试验发生器中的低通和高通滤波器的作用是为防止信号谐波对电表产生干扰；固定衰减器是为了使试验发生器达到50欧姆（由于各电网阻抗不同，为此规定一个统一的50欧姆阻抗，以便测试结果相互比较）输出阻抗以减小功放至耦合网络间的不匹配程度；信号发生器要求与R-EMI信号发生器要求相似（不同的是频段范围为150kHz~80MHz）；耦合/去耦网络是将干扰信号施加到电源线路上；线性阻抗稳定网络（LISN）是目前国际上规定的传导性电磁干扰测量设备，图6为分别测试两条电源线上传导干扰的单相LISN，当BMC端接骚扰测试仪时，仪器内部的标准阻抗为50欧姆，共模和差模干扰电流将从该50欧姆阻抗上流过，此时，LISN 起到了为共模和差模干扰电流在所需测量的频段提供一个固定阻抗（50欧姆）的作用，而50欧姆电阻上的电压就是传导干扰电压。传导干扰的耦合/去耦网络可以参见标准IEC61000-4-6。

测试前要尽可能接近智能电表的实际安装条件来连接电缆，这里我们只介绍了电源线的传导干扰测试，实际上传导干扰还可能发生在平衡线对及非屏蔽不平衡电缆上，其测试与上面介绍的测试方法相似，这里不再赘述。需要指出的是，要依次将试验发生器与每个耦合/去耦网络相连，而在其他未注入信号的耦合/去耦网络射频输入端接50欧姆的电阻。测试时先将试验电平（未加调制时的试验电平）调到试验等级的规

定值，然后由1kHz正弦波调幅（深度80%）。试验以速度不超过 1.5×10-3十倍频程/秒且在规定频段内扫频测试（扫频步幅不超过上一频率值的1%，每一频率的驻留时间不少于电表所需运行和响应的时间）同时观察电表的功能和性能是否正常。

图5 C-EMI测试框图

图6 单相LISN测试连接图

2 抗干扰措施

2.1 硬件抗干扰

系统失效和硬件损坏大部分是由各种干扰引起的，而绝大多数的干扰来自电源，所以对系统电源的抗干扰技术就显得尤为重要。下面就介绍几种电源的抗干扰措施。

（1）在电源变压器的初级串联一个电源滤波器，如“双绕组扼流圈”的滤波线路，它对高频干扰信号阻抗很大，使整个设备与电网之间有一定的高频隔离，同时对于外界的高频电磁场干扰也起到一定的抑制作用。

（2）在各相交流电源的进线端并联一个压敏电阻（MOV），其阻值随施加在它两端的电压的增加而减小。这样可以在供电出现过压时形成一个低阻的分流器，从而可以防止施加在设备两端的电压急剧上升。当电压恢复正常时，MOV又恢复到高阻状态。

（3）在主控制器供电电源之前的三端稳压器前并联一个瞬变电压抑制二极管（TVS）。当TVS两端有瞬间高能冲击，它能以极高的速度成为低阻抗器件，吸收大量电流，从而将其两端的电压嵌位在一个较低的值上，保护后面电路不因瞬态高压而损坏。这一措施对于像雷击浪涌之类的干扰是比较有效的。

（4）主控电路采用独立的供电电源，各电路模块之间采用合适的隔离措施（如光耦等）增强各模块电路之间的互扰。

以上几点就是硬件抗干扰设计的措施和技巧，通过以上的措施，就可以有效地抑制一部分干扰源对设备功能和性能的不良影响。

2.2 软件抗干扰

软件抗干扰主要是防止电表在工作过程中出现大的错误。电表作为用电量的测量和记录设备，诸如用电量等数据是十分重要的，这些数据的获取和传输及存储过程必须保证其准确可靠。下面就保证E2PROM 数据写入的可靠性措施做一简要介绍。

（1）使用软件陷阱。当控制器运行时受到干扰可能导致程序指针PC指向非程序区，使程序“跑飞”，很可能进入某个循环中挑不出来。当循环中没有清除看门狗指令时，在给定看门狗定时条件下PC指针将复位。当循环中有清除看门狗指令时，就会产生死机。对于这种情况，程序可以设置大量的软件陷阱，当PC 进入非程序区时可能跳到软件陷阱中，从而可以顺利地使PC复位。设置软件陷阱的位置主要有：①没有使用到的中断区。在没有使用到得中断服务子程序中设置软件陷阱可以有效地捕捉到错误的中断。②在处理器未编程的大量空间编写软件陷阱指令。当程序跑飞入该区域时可以迅速地跳入正轨。

（2）定时设置I/O口状态。对于有些控制器可以编程I/O口的状态，这样当微处理器受到干扰时I/O口的状态可能改变，比如电脉冲输入口被干扰改变为输出口时，就会导致用户使用了电但是电表却检测不到。因此，周期性地重复定义I/O口的输入/输出状态对于干扰环境下的电表运行是有益的。

（3）数据校验。因为电表中的部分数据是十分重要的，不能出错，因此，对这些数据的输入是要进行特别的合法性判断的。例如，对电量数据的格式进行判断，就可以有效地限制一些错误的产生，提高其抗干扰性能。

3 小结

在设计智能电表时，从电磁兼容的角度出发就可以高效地设计出经受的住其电磁环境要求的性能稳定产品，这可以避免走很多弯路。针对智能电表的实际

工作环境和特点，主要从EFT、R-EMI、C-EMI三个方面考察其电磁兼容性能。结合实际和标准要求，采用简便、高效的测试手段有助于智能电表的设计。同时采用合理的有针对性的抗电磁干扰技术可以保证智能电表在规定的技术条件下稳定可靠地工作。