基于虚拟仪器的智能电表辐射抗扰度自动测试系统设计

一、引言

近年来，随着我国智能电网战略的实施以及新的能源计量与管理政策的出台，智能电能表结构日益复杂，大量采用的电力线载波或无线通信等电能数据传送技术带来了抄表技术的革新，同时带来了电磁环境的干扰与抗干扰问题日益严重，电能表的电磁兼容(EMC，Electromagnetic Compatibility)问题就显得尤为重要，这对相应的电磁兼容测量测试技术提出了更高的要求。

电磁兼容分为电磁干扰(EMI，Electromagnetic Interference)和电磁抗扰度(EMS，Electromagnetic Susceptibility，或称电磁敏感度)两大类。其中射频电磁场辐射抗扰度测试(RF EMS，Radio Frequency Electromagnetic Susceptibility)正是射频辐射领域的一项重要的EMS测试，如图1所示。

图1电磁兼容测试结构示意图

就目前已有的电磁兼容商业软件来看，基本上是以Microsoft Visual Studio平台系列软件开发的，该平台是使用广泛的面向对象(Objected)的编程平台，一旦编译，用户只能接触到最后的可执行文件，而看不到源程序，因此软件功能是相对固定的，扩展性差。在测量测试领域，测试工程师需要有更大的自主性，这样才能面对复杂和变化的测试需求。

美国NI(National Instument)公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)虚拟仪器软件开发平台是应对测量测试领域中各种棘手问题的利器，该平台软件发挥了计算机高超的数据处理能力、便捷的输入输出功能、强大的显示能力和可扩展性能等优点，使计算机成为测试系统的一个重要组成部分。LabVIEW及虚拟仪器技术近年得到蓬勃的发展，但在智能电能表电磁兼容测量测试领域，目前国内外做这方面工作的单位还不多。我们作为专业计量测试机构，采用LabVIEW进行电能表检测方面的开发，取得了良好的成果和经验。

二、总体结构

电能表是用于电能计量的仪表。智能电能表采用乘法器实现对电功率的测量，被测的高电压、大电流经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压，然后再利用电压/频率转换器，直流电压被转换成正比于平均功率的脉冲频率，将该频率分频，并通过计数器在一段时间内的技术，显示出相应的电能。智能电能表通常还具有有/无功测量、网络远传、数椐分析等功能。

上世纪90年代初我国就对电子式电能表的电磁兼容性有所要求，至今已经历了4个基本版本的发展，其中射频辐射抗扰度试验的主要变化体现为频率范围不断扩大、场强不断增强、环境设备要求不断提高。目前最新国家标准号为GB/T17215.211-2006。标准演变过程如下表所示。

表1 电能表辐射抗扰度试验的变化

标准号

JB/T5460-91

GB/T17215-1998

GB/T17215-2002

GB/T17215.211-2006

引用

标准

GB/T13926.3-92

IEC1000-4-3:1995

GB/T17626.3-1998

GB/T17626.3-2006

频率

范围

(27~500)MHz

(80~1000)MHz

(80~2000)MHz

试验

场强

10V/m(未调制)

10V/m(1kHz正弦波，80%AM调制)

(10,30)V/m(调制)

环境

设备

屏蔽室

GTEM室，推荐电波暗室

电波暗室

2.1 硬件架构

满足最新标准的电能表辐射抗扰度检测系统必须以电波暗室来构建，该项目的硬件主要结构如图2所示。

图2 硬件主要结构

项目涵盖的主要设备见表2。

表2 主要设备清单

序号

设备

型号

工作频率/指标

备注

1

主控计算机

---

---

---

2

射频信号发生器

R/S SML03

9kHz~3.3GHz

GPIB控制

3

功率放大器1

AR 500W1000A

80MHz~1GHz

GPIB控制

功率放大器2

AR 60S1G3

80MHz~3GHz

GPIB控制

4

发射天线

R/S HL046Z1

80MHz~3GHz

---

5

被测电能表

---

---

---

6

电能表检验装置

南自三厂 NZ2230

0.05级

RS232控制

7

电波暗室

ETS Lindgren3米法

14kHz~18GHz

---

8

各向同性电场探头

AR HI-6055

100kHz~5GHz

可控

该检测的基本流程是主控计算机通过仪器接口转换器，在GPIB仪器通信总线上控制射频信号发生器和功率放大器，使其提供功率足够的射频信号输入发射天线，在被测电能表所处的测试区域距离发射天线3m，称为均匀域，在此域范围内发射天线能提供均匀的试验场强(10V/m或30V/m)，利用电能表检验装置(检表台)实时采集电波暗室内的被测电能表计量误差数据，并通过RS-232C串行通信总线发送给主控计算机，由计算机同步记录射频信号测试频率和被测电能表计量误差，通过图形显示和实时记录，自动保存超过标准限值和可怀疑的敏感数据，自动出具测试报告。

图3 主要设备图示

该系统软件登录界面背景就是在电波暗室中的实际应用照片，右方是发射天线，左侧是试验时安装在木架上的被测电能表，中间的地面上铺有铁氧体吸波材料。

图4 电波暗室内部图

2.2 软件架构

电能表辐射抗扰