電能計(jì)量互感器二次回路狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)*

姚 騰，李育靈，王嬋瓊，王紅斌，聶曉龍

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院 武漢分院，武漢 430074； 2. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 長(zhǎng)治供電公司，山西 長(zhǎng)治 030001)

電能計(jì)量表由于安裝在用戶側(cè)，常面臨竊電的風(fēng)險(xiǎn)[1-3].電能計(jì)量表主要由互感器、二次回路和電能表等部分組成[4-5]，其中，電能表由于相對(duì)比較獨(dú)立，防強(qiáng)磁干擾和開(kāi)封能力較強(qiáng)，可以起到防竊電作用；互感器由于進(jìn)線段高壓的威懾，從此部分進(jìn)行竊電的可能性很小；于是二次回路也就成了竊電最有可能的環(huán)節(jié)[6-7].目前，眾多學(xué)者對(duì)互感器二次回路的竊電行為提出了諸多可供參考的技術(shù)方案，主要有電流相位平衡法、附加電流檢測(cè)電路法、電流閥值法以及主動(dòng)短路法等[8-9]，且依據(jù)此類(lèi)原理，已經(jīng)在市面上出現(xiàn)了眾多防二次回路分流竊電的設(shè)備.但由于價(jià)位和適用性等自身原因，并未得到大面積推廣[10-11].

本文針對(duì)互感器二次回路的等效模型和分流模型展開(kāi)分析，提出二次回路檢測(cè)原理，并采用自激振蕩電路對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了優(yōu)化.設(shè)計(jì)并制作了二次回路狀態(tài)檢測(cè)的專(zhuān)變采集終端和回路巡檢儀樣機(jī)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用論證了樣機(jī)的適用性.

1 互感器二次回路分流模型

1.1 互感器折算等效模型

將電能計(jì)量表中的電流互感器折算到二次回路中，其等效電路如圖1所示.

圖1 電流互感器二次回路等效電路Fig.1 Equivalent circuit of current transformer secondary loop

圖1中，Z′1為一次側(cè)繞組內(nèi)阻抗換算到二次側(cè)阻抗的值，Z2為電流互感器二次側(cè)內(nèi)部阻抗，Zm為電流互感器勵(lì)磁阻抗，ZS為二次回路導(dǎo)線的阻抗，ZL為電能表輸入阻抗.正常工作條件下，由端口1和2監(jiān)測(cè)的等效阻抗為

ZE=Z′1//Zm+ZL+ZS+Z2

(1)

1.2 二次回路的分流竊電模型

常見(jiàn)的二次回路竊電方法有：將CT二次端子進(jìn)行短接或開(kāi)路、將電能表電流線圈接線端子進(jìn)行短接或者斷開(kāi)，分別對(duì)這4種方式進(jìn)行等效處理，其中，短路CT二次端子等效電路圖如圖2所示，由等效電路圖2可知，1和2端口的等效阻抗為ZE=(Z′1//Zm+Z2)//Z0+ZL+ZS.

圖2 短路CT二次端子等效電路Fig.2 Equivalent circuit of secondary terminals of short circuit CT

短接電能表電流線圈接線端子等效電路圖如圖3所示，此時(shí)等效阻抗ZE=Z′1//Zm+Z2+Z0//ZL+ZS.

圖3 電流線圈接線端子短接等效電路Fig.3 Equivalent circuit of short circuit of current coil wiring terminals

開(kāi)路CT二次側(cè)等效電路圖如圖4所示，此時(shí)，二次阻抗接近無(wú)窮大.

圖4 CT二次側(cè)開(kāi)路等效電路Fig.4 Equivalent circuit of CT secondary open circuit

2 互感器二次回路竊電特征量識(shí)別

2.1 二次回路竊電特征參量識(shí)別技術(shù)

為了提高高頻信號(hào)檢測(cè)幅值，將傳統(tǒng)的注入高頻與檢測(cè)高頻方法進(jìn)行改進(jìn)，即將原方案中使用檢測(cè)CT與二次電容構(gòu)成諧振電路.該方案在空載條件下檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，方案具有較好的識(shí)別率，對(duì)二次回路開(kāi)路、二次回路短路、一次回路短路均有較好的識(shí)別效果.然而當(dāng)存在負(fù)荷電流的情況下，由于檢測(cè)CT的電感值變化較為明顯，容易引起監(jiān)測(cè)部分處于失諧狀態(tài).若檢測(cè)CT飽和，在工頻電流工作條件下，負(fù)荷電流波形將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，同時(shí)也會(huì)夾雜一定的諧波，0.1 A工頻電流條件下測(cè)試結(jié)果如圖6所示.

圖5 檢測(cè)CT在空載條件下的監(jiān)測(cè)波形圖Fig.5 Monitored waveform of CT under no-load condition

圖6 檢測(cè)CT在飽和時(shí)的波形圖Fig.6 Waveform of CT at saturation state

在圖5、6基礎(chǔ)上衍生出兩個(gè)終端監(jiān)測(cè)CT開(kāi)路和短路的方案，如圖7所示.圖7a通過(guò)電磁耦合的方式向回路中注入高頻信號(hào)，并對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè).從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，檢測(cè)器檢測(cè)信號(hào)的信噪比較差，經(jīng)濾波放大后難以判斷開(kāi)路和正常低負(fù)荷狀態(tài).圖7b使用二次回路中的線圈與兩支電容構(gòu)成了自激振蕩電路，通過(guò)檢測(cè)振蕩的最小頻率判斷回路狀態(tài).該方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低，但同樣存在開(kāi)路與正常低負(fù)荷狀態(tài)難以區(qū)分的問(wèn)題.

圖7 二次回路竊電檢測(cè)方法等效電路Fig.7 Equivalent circuit of detection methods against electricity stealing with secondary loop

2.2 二次回路竊電特征參量檢測(cè)方案優(yōu)化

結(jié)合圖7中兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，將自激振蕩電路同時(shí)兼做注入高頻信號(hào)的諧振檢測(cè)電路，提出了如圖8所示的技術(shù)方案，工作時(shí)檢測(cè)單元串接于二次回路.主傳感器部分由1個(gè)微型CT、1個(gè)微型PT和1只電感構(gòu)成，輔助后端的電子電路部分獲得二次回路的特征參量，從而判斷二次回路的運(yùn)行狀態(tài).

圖8 二次回路狀態(tài)檢測(cè)方案Fig.8 State detection scheme of secondary loop

圖8中檢測(cè)傳感器部分是由一個(gè)電感L、兩個(gè)電容以及一個(gè)反相器組成的振蕩回路構(gòu)成，且振蕩回路的頻率與LC的值相關(guān).流入振蕩器的電流幅值會(huì)影響電感L的值.當(dāng)流入電流較大時(shí)，鐵芯可能進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致振蕩回路的電感值減小.根據(jù)公式f=1/2π(LC)-1/2可知，若回路電感值減小，回路的振蕩頻率反而會(huì)增加.如果流入二次回路的電流為工頻，振蕩頻率的變化也會(huì)是周期性的，因此，計(jì)算振蕩頻率最大值與最小值之間的差值，即可判斷回路中是否有工頻電流存在.

當(dāng)電流互感器二次回路出現(xiàn)短接現(xiàn)象時(shí)，振蕩回路電感L也會(huì)被短接，從而導(dǎo)致電感L值減小.根據(jù)諧振公式，最終會(huì)使振蕩器的振蕩頻率最小值增加(電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)電感最大，振蕩頻率最小)，因此，可通過(guò)振蕩頻率最小值來(lái)判斷電流互感器二次回路的短接情況.

當(dāng)振蕩回路判別到電流較低時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)PT注入高頻電壓信號(hào)，其注入頻率與檢測(cè)傳感器振蕩回路的頻率相同.因此該信號(hào)會(huì)被振蕩回路放大，利用A/D采集單元對(duì)該諧振信號(hào)進(jìn)行采集，即可用于判別二次回路是正常連接無(wú)電流狀態(tài)還是開(kāi)路狀態(tài).

3 計(jì)量二次回路防竊電檢測(cè)樣機(jī)

根據(jù)圖8所示的二次回路檢測(cè)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的電能計(jì)量表進(jìn)行性能改進(jìn)，用二次回路狀態(tài)檢測(cè)終端代替原電源板上的CT，并提供±5 V且最大功率為1 W的電源.再使用ESAM芯片與檢測(cè)終端進(jìn)行機(jī)械式合法身份的認(rèn)證，并與狀態(tài)檢測(cè)終端間通過(guò)RS485通信.

二次回路狀態(tài)巡檢儀串聯(lián)于電能表的電流回路，并聯(lián)于電能表的電壓回路，但不影響電能表計(jì)量精度.回路狀態(tài)巡檢儀核心檢測(cè)單元與二次回路狀態(tài)檢測(cè)終端模塊相似，但需要借助外部設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能，巡檢儀整體框圖如圖9所示.CT回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元通過(guò)高速率、高精度信號(hào)采樣電路和基于阻抗特征的多重判據(jù)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電流互感器回路狀態(tài)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).外圍CPU主要是計(jì)算電流有效值，并通過(guò)遠(yuǎn)程通信單元將特征量異常情況反饋至信息管理系統(tǒng).

圖9 回路狀態(tài)巡檢儀整體框圖Fig.9 Overall block diagram of loop state inspector

CT回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元集成數(shù)字信號(hào)合成技術(shù)、功率放大技術(shù)、自激振蕩技術(shù)、異頻注入技術(shù)、電流比對(duì)技術(shù)、頻率掃描技術(shù)及基于阻抗特征的多重判據(jù)方法，采用高信噪比運(yùn)算放大電路及4階帶通濾波信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理，識(shí)別判斷計(jì)量回路狀態(tài)信息，CT回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)原理圖如圖10所示.

圖10 CT回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)原理圖Fig.10 Schematic diagram of detection principle for CT loop state monitoring unit

模塊中的電壓耦合互感器將低壓信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的低壓方波信號(hào)耦合到二次回路中，再通過(guò)模塊中的高精密電流檢測(cè)電路采集回路電流信號(hào).采集到的電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元處理后，送至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析.

模塊數(shù)據(jù)處理單元采用基于阻抗特征的多重判據(jù)方法，包括頻率分析識(shí)別算法、幅值分析識(shí)別算法、波形分析識(shí)別算法、幅頻特性分析識(shí)別算法、阻抗分析識(shí)別算法、自激振蕩掃頻算法和電能比對(duì)算法.

回路狀態(tài)檢測(cè)的專(zhuān)變檢測(cè)終端和回路狀態(tài)巡檢儀在電能計(jì)量表中的工作示意圖如圖11所示.這兩種方法的搭配可以有效檢測(cè)和監(jiān)測(cè)二次回路端子短接或開(kāi)路、電能表電流線圈接地端子短接或者斷開(kāi)以及計(jì)量回路是否發(fā)生異常等竊電行為.

圖11 檢測(cè)終端和巡檢系統(tǒng)工作示意圖Fig.11 Schematic operation of detection terminal and inspection system

此系統(tǒng)在湖北咸寧某酒店進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用，采樣時(shí)間為一周.通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了明顯的竊電現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)電流曲線如圖12所示.由于電流波形會(huì)周期性的出線異常，故檢測(cè)人員對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了排查.在排查過(guò)程中，電流顯示為正常狀態(tài)，如圖12a所示；但隔天電能表出線掉電現(xiàn)象，負(fù)控測(cè)量點(diǎn)電流消失，如圖12b所示.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)電能表進(jìn)行了針對(duì)性分析后發(fā)現(xiàn)，電能表內(nèi)部電路有多處改動(dòng).

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于阻抗特性的互感器二次回路狀態(tài)識(shí)別方法，采用自激振蕩電路同時(shí)兼做注入高頻信號(hào)的諧振檢測(cè)電路技術(shù)，改造現(xiàn)有采集終端設(shè)備，研制了一種能夠有效檢測(cè)二次回路互感器發(fā)生開(kāi)路和短路、電能表發(fā)生開(kāi)路與短路等竊電行為的專(zhuān)變采集終端.通過(guò)分析實(shí)際應(yīng)用案例表明，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)竊電現(xiàn)象，論證了該技術(shù)的可行性.

圖12 電流曲線圖Fig.12 Current curves