一種三相智能電表掉零線檢測算法研究

李軍 劉維

（威勝集團有限公司海外表計事業部 湖南省長沙市 410000）

1 引言

在城市電網三相四線制電流輸送模式中，零線作為保護三線電流正常運行的接地端，一旦發生故障后需要立即檢修和排除故障，使城市電網盡快重新恢復供電狀態[1]。我國主要采用三相四線制的電流輸送模式[2]，通常情況下在A/B/C三相電流之外還會外接一條接地零線，這條接地電線的意義就是為了避免三相電流出現某一相短路時或者三相電流無法達到平衡時電流也可以通過零線回流到大地，避免三相不平衡情況，給人生財產安全帶來巨大威脅。

本文提出一種基于G3-PLC通信模塊的三相智能電表掉零線檢測算法，在不改變三相智能電表原有硬件設計和不增加硬件成本基礎上，通過軟件算法檢測三相智能電表掉零線故障并進行故障事件記錄且可通過G3-PLC通信實現HES對進行故障信息的發生和結束實時感知，在降低成本的同時大大提高了檢測效率。

2 當前三相智能電表掉零線檢測方法

三相智能電表的零線發生故障或掉落后會造成安全隱患，對人們正常生活秩序和工作便利帶來十分嚴重的影響[3]，所以三相智能電表需要時刻注意維護零線的正常工作和運行。傳統的三相智能電表檢測零線是否出現脫落，是否存在連接異常或人為拔掉。有兩種方法，一種是通過人工到電表安裝現場，用專用測試設備檢測零線電流。另一種方法為，更改電表硬件設計，在智能電表內部增加零線電流檢測傳感器和相應的檢測電路來識別零線電流。

目前現有的兩種檢測方法都有各自的缺點。第一種檢測方法，電表不能自動感知識別需要人工干預，存在對故障處理響應時間上的滯后性，且效率低下，從根本上達不到及時發現故障及時處理故障的要求。第二種檢測方法，能實現電表自動識別故障但需要在智能電表內部增加零線電流檢測傳感器器和相應的檢測電路，增加了電表的成本。

3 基于G3-PLC通信的三相智能電表掉零線檢測原理

3.1 G3-PLC通信模塊對三相智能電表負載電路的改變

目前現有的三相智能電表不具備掉零線檢測功能的，其A/B/C相電路圖如圖1所示。

當三相智能電表接上G3-PLC通信模塊時，因為G3-PLC模塊需要采集電力信號將耦合到三相智能電表的A相電路上，所以搭載G3-PLC模塊的三相智能表的A/B/C相電路圖將變為如圖2所示。

通過上面電路原理圖，可知G3-PLC模塊負載加載在三相智能電表的A相上，當三相智能電表沒發生掉零線時由于零線回流的作用將使電表的三相負載平衡。當三相智能表發生掉零線時，由于G3-PLC模塊耦合在電表的A相上，A相上將具有負載，三相智能表將發生三相負載不平衡現象。

3.2 三相負載不平衡原理

在正常情況下，三相四線制電源中性點“O”，與三相智能電表的中性點0，之間沒有電位差如圖3。若三相智能電表零線中斷后，電表的三相負載實際形成了中點不接零線的星形接法（Y），這時就會出現不對稱星形接法的中性點0偏移現象[4]如圖4，即三相負載的線電壓相等，但相電壓不相等。三相負載差別越大，0的偏移越大，相電壓差別也越大，負載大的相電壓小，而負載小的相電壓大。三相智能電表G3-PLC模塊負載加載在A相上,較其他兩相大，所以當發生掉零線時會發生相電壓UA電壓變低,相電壓UB 、相電壓UC電壓變高。

表1：零線中斷時各分相相電壓值情況

表2：零線中斷且B相電壓中斷情況

表3：零線中斷且C相電壓中斷情況

表4：零線中斷且A相電壓中斷情況

表5：零線中斷且三相上負載5A電流情況

3.3 實驗數據

實際抽取5臺樣表，進行實驗，所得數據結果如表1-表5所示。

4 掉零線檢測算法實現

通過實驗得出以下掉零線軟件檢測算法，算法包括以下幾個步驟：

圖1：電路圖

圖2：電路原理圖

圖3

圖4

圖5：流程圖

步驟一：電表上電初始化，并將掉零線標志清零。

步驟二：電表計量單元每秒采樣計算A,B,C各相實時電壓值及Ub和Uc，Uc和Ua的夾角φbc，φca值。

步驟三：電表CPU單元軟件系統中的秒任務，每秒對掉零線標志進行檢查。如掉零線標志沒有置位表明當前電表沒有發生掉零線狀態，程序進入步驟四掉零線發生判斷。如掉零線標志置位表明當前電表已經發生掉零線，程序進入步驟五掉零線結束判斷。

步驟四：掉零線發生分兩種情況，各情況下的判斷依據如下：

電表A,B,C三相電壓都有的情況下判斷條件如下：

（1）Ua>5V&&Ub>5V&&Uc>5V

（2）Ub和Uc之間的夾角φbc小于110°|| Uc和Ua之間夾角φca大于250°

（3）(100%>電壓不平率>95%)&&(Ub>120%Un)&&(Uc>120%Un)&&(10%Un>Ua>0)

此種情況以上三個條件同時滿足時則認為電表掉零線事件發生，此時掉零線標志置位并記錄掉零線故障事件。由于零線脫落將導致G3-PLC通信中斷，HES端通過感知G3-PLC通信異常提示電表故障。

電表A相斷電，B,C相有電的情況下判斷條件如下：

（4）(Ua==0)&&(5V

此種情況下只需滿足以上一個條件則認為電表掉零線事件發生，此時掉零線標志置位并記錄掉零線故障事件。由于零線脫落將導致G3-PLC通信中斷，HES端通過感知G3-PLC通信異常提示電表故障。

步驟五：掉零線結束判斷：當電表當前狀態不滿足步驟四中的判斷條件時，則認為掉零線事件結束。此時清掉零線標志位并通G3-PLC通信模塊推送零線故障結束信息給HES系統。

整個檢測算法實現流程圖如圖5所示。

5 結論

本文在深入分析G3-PLC通信模塊對三相智能電表負載改變的規律基礎上，提出了一種通過軟件算法來實現對三相智能電表的掉零線檢測。本文提出的算法較傳統的三相智能電表掉零線檢測方法實現了在不改變現有電表的硬件設計和增加硬件成本的基礎上，通過軟件檢測算法實現了智能電表對掉零線故障的自動感知和故障發生、結束信息主站HES系統實時感知。