一种降低智能电能表辐射干扰的分析设计方法
【专利摘要】一种降低智能电能表辐射干扰的分析设计方法。提出了一种科学、高效的故障、缺陷分析、问题解决、改进设计的方案。包括以下步骤：1)开始原理设计；制图，选器件；2)布板、安装；形成样机；3)电池供电测试；4)高频电路辐射干扰是否超标判断；5)电源供电测试一；6)电源电路辐射干扰是否超标判断；7)电源供电测试二；8)计量电路辐射干扰是否超标判断；9)结束。本发明以行业强制性执行的国家标准为准绳，能提高中小型电能表生产厂家电能表设计人员在产品设计过程中对辐射干扰缺陷进行高效、规范的分析、设计、改进能力水平；减少重复送检的时间、费用、劳力，节约研发费用，缩短研发周期，降低产品成本。
【专利说明】一种降低智能电能表辐射干扰的分析设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能电能表设计流程【技术领域】，尤其涉及智能电表的辐射干扰原因分析及由此进行的缺陷分析、优化设计的改进方法。
【背景技术】
[0002]智能电能表作为电能计量和电费结算的计量产品，不仅要求产品具有精确稳定的计量性能，而且要求产品有极强的抗电磁干扰、抗冲击耐恶劣环境的能力，确保在任何情况下用电信息正确可靠，保证用电、供电双方的利益不受损害。智能电能表大都采用单片机技术设计而成，电磁干扰是造成智能电能表故障或性能下降的主要原因之一。同时智能电能表本身在完成自身功能时必须尽可能少对外释放电磁干扰的能量。提高智能电能表的电磁兼容性是提高其运行可靠性的关键，国际上已将电磁兼容性作为电气电子产品一项极为重要的性能指标并制定了必须强制性执行的法规。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。
[0003]电磁兼容包括电磁干扰和电磁抗扰度两个方面。一般而言，对同一智能电能表，降低它对外的电磁干扰，就会增强它对外部电磁干扰的抗扰度。电磁干扰(EMI)包括传导型电磁干扰(低频电磁干扰)、辐射型电磁干扰(高频电磁干扰)、静电放电(ESD)、雷击浪涌产生的电磁干扰等。其中辐射型电磁干扰最难控制，因为辐射型电磁干扰的频率较高，能量的波长很短，很短的PCB布线或电能表电源变压器线圈、电流互感器线圈、电压互感器线圈等都可能成为收发天线。
[0004]自2010年起，国家电网公司对电能表及用电信息采集设备进行统一招标采购，随之而来的就是对电能表及用电信息采集设备供应商的要求也越来越高，对供应商进行现场审核并打分，作为评标的依据。随着电磁兼容要求的越来越高，国网公司现已将人工电源网络、频谱仪等与射频传导、辐射测试相关的设备作为技术评分的重要标准，电能表及用电信息采集设备供应商将因应形势投入资金建立射频传导和辐射抗干扰试验室。一方面，此类设备比较昂贵，确实给供应商带来不小的负担。另一方面，确实给供应商提高电能表电磁兼容设计水平带来了帮助。即通过试验室进行测试，对电磁干扰超标的情形可通过改进PCB设计或原理设计、更换元器件等加以解决，从而在国网计量中心进行全性能检测时顺利通过，在获得较高技术分的同时，也避免二次或多次送检产生的重复检测费用。
[0005]目前面临的问题是:对于中小型电能表生产厂家而言，并没有电磁兼容设计方面的专业人才，有关电能表电磁兼容测试整改的文章也只是就事论事，一旦射频传导干扰或辐射干扰通不过时，只有根据经验采取加磁珠等措施，根本不知道问题究竟出在哪里。2010年，本 申请人:新开发的一款三相射频卡表就因为辐射干扰偏大未能通过省计量科学研究院的检测，经多次送检仍未通过检测。本 申请人:于是加大了在此领域的投入，包括增加设备、技术人员等，逐渐提高了电能表电磁兼容设计和测试的水平。此后，本 申请人:在工作中不断探索，试图形成一个有利于本行业设计工作的技术手段。
【发明内容】
[0006]本发明针对以上问题，提供了一种降低智能电能表辐射干扰的分析设计方法，提出了一种科学、高效的故障、缺陷分析、问题解决、改进设计的方案，能提高中小型电能表生产厂家电能表设计人员在产品设计过程中对辐射干扰缺陷进行高效、规范的分析、设计、改进能力水平；减少重复送检的时间、费用、劳力，节约研发费用，缩短研发周期，降低产品成本。
[0007]本发明的技术方案是:包括以下步骤:
[0008]I)、开始原理设计；制图，选器件；
[0009]2)、布板、安装；形成样机；
[0010]3)、电池供电测试；所述样机仅使用电池供电，进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图一；
[0011]4)、高频电路辐射干扰是否超标判断；
[0012]如无异常，继续下步骤；
[0013]如有异常，标定所述电磁辐射强度测试曲线图一中的异常点，读取所述异常点数值，如该数值为所述智能电表内晶振频率的整数倍，去步骤4.1);如非整数倍，去步骤4.2)；
[0014]4.1)、对MCU晶振电路进行改进或更换晶振器件；
[0015]4.1.1)、将改进过晶振电路的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图一.1;
[0016]4.1.2)判断;
[0017]如无异常，去步骤5)；
[0018]如有异常，去步骤4.2);
[0019]4.2)、重新进行布板或更换器件；
[0020]4.2.1)、判断;
[0021]如无异常，去步骤5)；
[0022]如有异常，返回步骤I);
[0023]5)、电源供电测试一；断开所述智能电表的计量电路，将所述样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图二 ；
[0024]6)、电源电路辐射干扰是否超标判断；
[0025]如无异常，即异常点数值小于国家标准，去步骤7)；
[0026]如有异常，即异常点数值大于国家标准数值，去步骤6.1)；
[0027]6.1)、更换变压器；
[0028]6.2)、判断；
[0029]如无异常，去步骤7)；
[0030]如有异常，继续；
[0031]6.2)、加装抗干扰器件；将加装有抗干扰器件的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图二.1 ;
[0032]6.3)、判断；[0033]如无异常，去步骤7)；
[0034]如有异常，去步骤I);
[0035]7)、电源供电测试二 ；接入所述智能电表的计量电路，将所述样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三；
[0036]8)、计量电路辐射干扰是否超标判断；
[0037]如无异常，即异常点数值小于国家标准，去步骤9)；
[0038]如有异常，即异常点数值大于国家标准数值，去步骤8.1)；
[0039]8.1)、对计量单元的差分放大器的两个输入端信号线进行双绞处理，以减小共模干扰；
[0040]8.2)、将进行双绞处理后的样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.1;
[0041]8.3)、判断;
[0042]如无异常，去步骤9)；
[0043]如有异常，去步骤8.4)；
[0044]8.4)、计量电路中的晶振电路辐射干扰是否超标判断；
[0045]如未超标，去步骤9)；
[0046]如超标，标定所述电磁辐射强度测试曲线图三.1中的异常点，读取所述异常点数值，如该数值为所述计量电路中的晶振电路内晶振频率的整数倍，去步骤8.4.1);如非整数倍，去步骤8.5)；
[0047]8.4.1)、对计量电路中的晶振电路进行改进或更换晶振器件；
[0048]8.4.2)、将改进过计量电路中的晶振电路的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.2 ；
[0049]8.4.3)判断；
[0050]如无异常，去步骤9)；
[0051]如有异常，去步骤8.5);
[0052]8.5)、对计量电路重新进行布板或更换器件；
[0053]8.5.1)、将上步骤改进过的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.3;
[0054]8.5.2)、判断；
[0055]如无异常，去步骤9)；
[0056]如有异常，返回步骤I);
[0057]9)、结束。
[0058]所述步骤3)中的微波暗室包括用于摆放所述样机的旋转工作台、升降天线、屏蔽问和EMI测试接收机；所述旋转工作台和升降天线设置在屏蔽问中；所述升降天线连接所述EMI测试接收机；所述旋转工作台与所述升降天线距离为3米，所述升降天线的升降范围距离地面1-4米；所述旋转工作台台面高度为0.8米。
[0059]本发明以行业强制性执行的国家标准为准绳，从基层技术人员的工作流程出发，提出了智能电表在设计过程中避免辐射干扰超标的设计方法。从产品初步设计阶段，当初样装配完成后，先不通过电源对电能表测试，而是由锂电池供电，测试该部分的电磁干扰强度，发现问题时改进该部分的原理设计、PCB设计或元器件更换，在符合GB9254-2008情况下，尽可能降低其电磁干扰强度。这样一来设计人员便能对辐射干扰不合格的的原因进行排除，从而准确的知道究竟是哪个模块出了问题，避免在产品已经设计定型并处于等待进入市场的最后阶段才测试时发现辐射干扰不合格的情况，此时再重新修改PCB的设计工作，不仅会增大生产成本，而且会使得产品延误而错失商机，给企业带来巨大的损失。进而能提高中小型电能表生产厂家电能表设计人员在产品设计过程中对辐射干扰缺陷进行高效、规范的分析、设计、改进能力水平；减少重复送检的时间、费用、劳力，节约研发费用，缩短研发周期，降低产品成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]图1是磁偶极子模型，
[0061]图2是电偶极子模型，
[0062]图3是本发明中微波暗室的结构示意图，
[0063]图4是本发明中的缺陷样机的电磁辐射强度测试曲线图一，
[0064]图5是本发明中的合格样机的电磁辐射强度测试曲线图，
[0065]图6是本发明中单相智能电表的功能模块框图，
[0066]图7是本发明中单相智能电表的结构框图，
[0067]图8是本发明中电源电路中变压器初级和次级之间耦合电容的结构示意图，
[0068]图9是本发明的流程图；
[0069]图中I是旋转工作台，2是升降天线，3是屏蔽墙。
【具体实施方式】
[0070]本发明的设计方法如图9所示，包括以下步骤:
[0071]I)、开始原理设计；制图，选器件；
[0072]2)、布板、安装；形成样机；
[0073]3)、电池供电测试；所述样机仅使用电池供电，进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图一，如图4所示；
[0074]4)、高频电路辐射干扰是否超标判断；判断的依据即图4中上方的水平折线(标记有 GB9254)，
[0075]如无异常，继续下步骤；
[0076]如有异常，标定所述电磁辐射强度测试曲线图一中的异常点，读取所述异常点数值，如该数值为所述智能电表内晶振频率的整数倍，去步骤4.1);如非整数倍，去步骤4.2);如图4中900M附近出现的异常点；
[0077]4.1)、对MCU晶振电路进行改进或更换晶振器件；
[0078]4.1.1)、将改进过晶振电路的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图一.1 ;
[0079]4.1.2)判断；
[0080]如无异常，去步骤5)；
[0081]如有异常，去步骤4.2);[0082]4.2)、重新进行布板或更换器件(比如:晶振接地线、单片机电路、通信电路等)；
[0083]4.2.1)、判断;
[0084]如无异常，去步骤5)；
[0085]如有异常，返回步骤I);
[0086]5)、电源供电测试一；断开所述智能电表的计量电路(在供电情况下，在电源切换电路的作用下，电池是不工作的)，将所述样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图二 ；此种缺陷有多种，最典型的是图8所示的变压器初级和次级之间的耦合电容所造成的辐射超标现象；但也有其它的比如来自电源线的干扰等。
[0087]6)、电源电路辐射干扰是否超标判断；
[0088]如无异常，即异常点数值小于国家标准(GB9254-2008)，去步骤7)；
[0089]如有异常，即异常点数值大于国家标准(GB9254-2008)，去步骤6.1)；
[0090]6.1)、更换变压器；
[0091]6.2)、判断；
[0092]如无异常，去步骤7)；
[0093]如有异常，继续；
[0094]6.2)、加装抗干扰器件；将加装有抗干扰器件的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图二.1 ;
[0095]6.3)、判断；
[0096]如无异常，去步骤7)；
[0097]如有异常，去步骤I);
[0098]7)、电源供电测试二 ；接入所述智能电表的计量电路，将所述样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三；
[0099]8)、计量电路辐射干扰是否超标判断；
[0100]如无异常，即异常点数值小于国家标准(GB9254-2008)，去步骤9)；
[0101]如有异常，即异常点数值大于国家标准(GB9254-2008)，去步骤8.1)；
[0102]8.1)、对计量单元的差分放大器的两个输入端信号线进行双绞处理，以减小共模干扰；
[0103]8.2)、将进行双绞处理后的样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.1;
[0104]8.3)、判断;
[0105]如无异常，去步骤9)；
[0106]如有异常，去步骤8.4);
[0107]8.4)、计量电路中的晶振电路辐射干扰是否超标判断；因为计量芯片的工作晶振也会导致辐射超标，因此需对此单独进行一个排除流程；
[0108]如未超标，去步骤9)；
[0109]如超标，标定所述电磁辐射强度测试曲线图三.1中的异常点，读取所述异常点数值，如该数值为所述计量电路中的晶振电路内晶振频率的整数倍，去步骤8.4.1);如非整数倍，去步骤8.5)；
[0110]8.4.1)、对计量电路中的晶振电路进行改进或更换晶振器件；[0111]8.4.2)、将改进过计量电路中的晶振电路的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.2 ；
[0112]8.4.3)判断;
[0113]如无异常，去步骤9)；
[0114]如有异常，去步骤8.5);
[0115]8.5)、对计量电路重新进行布板或更换器件(如果这里需要更换器件，是更换什么器件？比如:晶振接地线、单片机电路、通讯电路等)；
[0116]8.5.1)、将上步骤改进过的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.3;
[0117]8.5.2)、判断；
[0118]如无异常，去步骤9)；
[0119]如有异常，返回步骤I);
[0120]9)、结束，获得如图5的智能电表电磁辐射强度测试曲线图。
[0121]本发明中对于微波暗室优选采用了如下实施方式:包括用于摆放所述样机的旋转工作台、升降天线、屏蔽间和EMI测试接收机；所述旋转工作台和升降天线设置在屏蔽间中；所述升降天线连接所述EMI测试接收机；所述旋转工作台与所述升降天线距离为3米，所述升降天线的升降范围距离地面1-4米；所述旋转工作台台面高度为0.8米。(图5、接收机可以在屏蔽间内部或外部)；
[0122]但需说明的是测试方法或设备不尽相同(如小型电波暗室、3米法微波暗室、6TEM小室等)，但基本原理是相似的。
[0123]下面进一步说明本发明:
[0124]1、以单相智能电能表(功能模块框图如图6，结构框图如图7)为例，证明了磁偶极子差模辐射模型和电偶极子共模辐射模型适合于分析智能电能表的辐射干扰和抗干扰分析。
[0125]由于天线是互易的，对于同一只单相智能电能表，降低它对外的电磁干扰，就会增强它对外部电磁干扰的抗扰度，因此从分析电能表的福射场强入手，研究抑制电能表电磁辐射能量和增强电磁抗干扰能力的方法。
[0126]电能表对外辐射干扰主要有差模辐射干扰和共模辐射干扰两种形式。差模辐射干扰是由差模电流产生的，共模辐射干扰是由共模电流产生的。
[0127]差模电流是指往返于信号线与回流线之间、幅度相同相位相反的电流，它在信号线与回流线之间形成的回路中流动，这个电流环路形成了差模辐射。当环路的周长远小于信号波长和场距时，差模辐射可用磁偶极子模型来描述。干扰电流在信号线与信号地线之间(或电源线的火线和零线之间)流动。电能表信号线主要包括主芯片信号、计量芯片信号、时钟芯片信号、液晶驱动芯片信号和通信芯片(模块)信号，在目前最新的方案中，很多已采用集成MCU (Micro Control Unit)、计量、时钟与液晶驱动为一体的SOC (System onChip)方案。在电能表信号电路走线中，正常情况下电路走线中的信号线与其地线靠得很近，形成的环路面积很小，所以电能表信号线差模干扰辐射可用磁偶极子模型来描述。在电能表中，电网电源线与其产生关联的包括电源变压器和电压、电流采样部分，这些也会形成电流环路产生差模辐射干扰。由于辐射干扰测试的频率范围为30MHZ?16HZ，其最短波长为λπ?η=3Χ10-8/10-9=0.3πι，同时采用3m法进行测试，所以同样满足环路的周长小于信号波长和场距的条件，因此电源线产生的差模辐射干扰也可用磁偶极子模型来描述。
[0128]共模电流是指存在于信号线和回流线中、相位相同的电流。对一段通有高频电流的导线，当导线长度远小于信号波长和场距时，可以认为导线上的电流均匀分布，共模辐射可用电偶极子模型来描述。根据以上差模电流的分析，电能表信号线和电源线产生的共模辐射干扰也可用电偶极子模型来描述。如图1、2所示。
[0129]2、分别详细分析了磁偶极子差模辐射模型和电偶极子共模辐射模型的近场和远场特性。
[0130]2.1根据麦克斯韦方程组，可推导出差模辐射场为(推导过程参见文献I):
[0131]
【权利要求】
1.一种降低智能电能表辐射干扰的分析设计方法，其特征在于，包括以下步骤: .1)、开始原理设计；制图，选器件； .2)、布板、安装；形成样机； .3)、电池供电测试；所述样机仅使用电池供电，进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁福射强度测试曲线图一； . 4)、高频电路辐射干扰是否超标判断； 如无异常，继续下步骤； 如有异常，标定所述电磁辐射强度测试曲线图一中的异常点，读取所述异常点数值，如该数值为所述智能电表内MCU晶振频率的整数倍，去步骤4.1);如非整数倍，去步骤4.2)；.4.1)、对MCU晶振电路进行改进或更换晶振器件； . 4.1.1)、将改进过晶振电路的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图一.1; .4.1.2)判断； 如无异常，去步骤5)； 如有异常，去步骤4.2)； . 4.2)、重新进行布板或更换器件； . 4.2.1)、判断； 如无异常，去步骤5)； 如有异常，返回步骤I); .5)、电源供电测试一；断开所述智能电表的计量电路，将所述样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图二； .6)、电源电路辐射干扰是否超标判断； 如无异常，即异常点数值小于国家标准，去步骤7)； 如有异常，即异常点数值大于国家标准数值，去步骤6.1)； .6.1)、更换变压器; .6.2)、判断； 如无异常，去步骤7)； 如有异常，继续； .6.2)、加装抗干扰器件；将加装有抗干扰器件的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图二.1 ; .6.3)、判断； 如无异常，去步骤7)； 如有异常，去步骤I)； .7)、电源供电测试二；接入所述智能电表的计量电路，将所述样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三； . 8)、计量电路辐射干扰是否超标判断； 如无异常，即异常点数值小于国家标准，去步骤9)； 如有异常，即异常点数值大于国家标准数值，去步骤8.1)； .8.1)、对计量单元的差分放大器的两个输入端信号线进行双绞处理，以减小共模干扰； `8.2)、将进行双绞处理后的样机进微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.1; ` 8.3)、判断； 如无异常，去步骤9)； 如有异常，去步骤8.4)； `8.4)、计量电路中的晶振电路福射干扰是否超标判断； 如未超标，去步骤9)； 如超标，标定所述电磁辐射强度测试曲线图三.1中的异常点，读取所述异常点数值，如该数值为所述计量电路中的晶振电路内晶振频率的整数倍，去步骤8.4.1);如非整数倍，去步骤8.5)； `8.4.1)、对计量电路中的晶振电路进行改进或更换晶振器件； `8.4.2)、将改进过计量电路中的晶振电路的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.2 ； ` 8.4.3)判断； 如无异常，去步骤9)； 如有异常，去步骤8.5)； ` 8.5)、对计量电路重新进行布板或更换器件； ` 8.5.1)、将上步骤改进过的样机置入微波暗室进行电磁干扰测试，得所述样机的电磁辐射强度测试曲线图三.3; ` 8.5.2)、判断； 如无异常，去步骤9)； 如有异常，返回步骤I); 9)、结束。
2.根据权利要求1所述的一种降低智能电能表辐射干扰的分析设计方法，其特征在于，所述步骤3)中的微波暗室包括用于摆放所述样机的旋转工作台、升降天线、屏蔽间和EMI测试接收机；所述旋转工作台和升降天线设置在屏蔽间中；所述升降天线连接所述EMI测试接收机；所述旋转工作台与所述升降天线距离为3米，所述升降天线的升降范围距离地面1-4米；所述旋转工作台台面高度为0.8米。
【文档编号】G01R35/04GK103439545SQ201310407362
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】潘建华, 李香, 朱世林, 郎干勇, 徐振伟, 吴静, 王应娆 申请人:扬州市万泰电器厂有限公司