計量用電流互感器二次回路狀態(tài)監(jiān)測終端及應(yīng)用

熊博，姜春陽，周峰，殷小東，劉俊杰，雷民

（中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074）

計量用電流互感器二次回路狀態(tài)監(jiān)測終端及應(yīng)用

熊博，姜春陽，周峰，殷小東，劉俊杰，雷民

（中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074）

基于電流互感器不同狀態(tài)下的回路等效電路，提出了電流互感器二次回路狀態(tài)診斷方法，實現(xiàn)了對不同負荷電流下正常連接、開路和短路狀態(tài)的準確識別?；诖碎_發(fā)了電流互感器二次回路監(jiān)測終端，并進行了掛網(wǎng)試運行，同時結(jié)合案例對監(jiān)測終端的功能與性能進行了分析。

電流互感器；二次回路；狀態(tài)診斷；阻抗特征

電能計量由3個主要部分組成：互感器、二次回路和電能表。相對于互感器而言，二次回路和電能表的防護比較薄弱，容易被違規(guī)用電者改動[1-3]。本文研究的CT二次回路監(jiān)測終端是基于異頻、阻抗監(jiān)測等高精度回路狀態(tài)監(jiān)測方法，該裝置有效識別CT二次回路狀態(tài)[4-8]。包括：回路正常、開路、CT端子短路、電能表電流采樣異常等狀態(tài)。并支持GPRS/GSM/SMS/CDMA移動通信，回路狀態(tài)事件做到實時上傳。實現(xiàn)對CT二次回路接線錯誤、回路故障的實時在線監(jiān)測、對現(xiàn)場故障排查、竊電行為稽查做出有效指導(dǎo)；是對計量裝置監(jiān)控信息的重大補充，也是繼智能電能表和采集終端后另一個具有重要意義的計量配套裝置[9-11]。

1 互感器二次回路狀態(tài)檢測原理分析及硬件設(shè)計

圖1給出了回路狀態(tài)檢測的硬件設(shè)計方案，在進行回路狀態(tài)檢測時，檢測單元需要串接于電流互感器二次回路中，主傳感器部分由1個微型PT和1只電感構(gòu)成。輔助后端的電子電路部分，獲得在回路阻抗、二次電流變化時的特征量，由此獲得回路正常連接、短路、開路狀態(tài)信息。

具體工作原理是：1）由電感L、2只電容C和正反饋網(wǎng)絡(luò)電路構(gòu)成的振蕩電路，電路的振蕩頻率與L和C值有關(guān)。其中，電感L的電感量與工頻電流的幅值有關(guān)，當工頻電流幅值升高時，由于鐵芯材料進入飽和狀態(tài)，電感量會降低，振蕩電路的振蕩頻率會隨著電流幅值的增加而增加。因此，振蕩電路的振蕩頻率會隨著電流的變化呈現(xiàn)周期性的增加和減??；當在電流過零點處，電感量最大，振蕩頻率最小。2）上段中提到，振蕩電路的振蕩頻率與L值有關(guān)，當圖3中示意的電流互感器二次端子被短接時，電感L就被一根導(dǎo)線短接了一匝，電感量會降低。因此，振蕩電路的振蕩頻率最小值會升高，此時該振蕩頻率的最小值將作為回路端子短接的判據(jù)。3）通過讀取回路中工頻電流幅值，判斷當二次回路電流接近0 A時，將通過微型PT向回路中注入高頻電壓信號，并在L兩端通過信號放大和AD采樣電路采集，用于判斷電流互感器的二次回路是處于正常連接無電流狀態(tài)或是開路狀態(tài)。

圖1 二次回路狀態(tài)檢測硬件原理Fig.1 Hardware principle of the secondary circuit state detection

前面提到的回路狀態(tài)檢測功能單元作為一個固定的模塊，配合外圍輔助電路，便可實現(xiàn)計量現(xiàn)場電流互感器二次回路狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。監(jiān)測終端的功能框圖如圖2所示，外部電路配合實現(xiàn)裝置的通信、事件處理、電源管理等功能。前面描述中，未提及電能表的電流輸入端子被短接時，檢測電路的信號信息。由于電流輸入端子的阻抗極小，在短接情況下，其變化量并不能引起前文提到的多種參量變化，上述方法不能實現(xiàn)對電流輸入端子短接的判斷。由于在監(jiān)測終端中增加一個工頻電流的計量CT，就可以實現(xiàn)監(jiān)測終端與電能表計量電流的比對，由此可輕易發(fā)現(xiàn)電能表電流輸入端子短接的情況。

2 監(jiān)測裝置采集主站系統(tǒng)建設(shè)

監(jiān)測終端現(xiàn)場采用無線通信模塊，通過GPRS和CDMA等通信方式，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時上傳至主站系統(tǒng)。對于現(xiàn)場二次回路運行情況最主要的2個數(shù)據(jù)是：1）監(jiān)測裝置監(jiān)測到的回路狀態(tài)事件，包括回路正常、開路和短路等；2）監(jiān)測裝置檢測到的二次回路的電流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用于與電能表的電流數(shù)據(jù)進行比對，確認電能表電流計量的準確性。圖4給出了主站系統(tǒng)的主界面，界面左側(cè)顯示監(jiān)測裝置的所在供電局、用戶，左側(cè)為監(jiān)測裝置坐標位置。圖5和圖6給出了主站系統(tǒng)電流曲線比對及上報返回狀態(tài)事件的統(tǒng)計界面。由于監(jiān)測裝置和電能表串接于同一個電流二次回路當中，當電能表的輸入端子被短接，或內(nèi)部采樣電阻及程序被改動之后，其檢測到的電流信號與監(jiān)測裝置中的電流信號就會出現(xiàn)差異，通過2條電流曲線的比對，可輕易發(fā)現(xiàn)該類型的竊電。同時，主站還具備數(shù)據(jù)下發(fā)和上召等功能。

圖2 互感器二次回路監(jiān)測裝置硬件框圖Fig.2 Hardware circuit diagram of the secondary circuit monitoring device of the current transformer

圖3 監(jiān)測裝置外觀效果圖Fig.3 Effect drawing of the monitoring device

3 現(xiàn)場掛網(wǎng)運行及案例分析

為驗證監(jiān)測裝置的運行性能，分別選取了工業(yè)用戶、居民用戶、商業(yè)用戶和一個太陽能發(fā)電用戶為監(jiān)測對象，完成了13臺互感器二次回路監(jiān)測裝置的現(xiàn)場掛網(wǎng)試運行，計量方式高供高計和高供低計各近50%。在現(xiàn)場安裝時，除安裝監(jiān)測終端外，還配備了一臺專變終端采集所監(jiān)測回路電能表的96點電流數(shù)據(jù)，用于電流數(shù)據(jù)的比對，現(xiàn)狀安裝如圖7所示。

圖4 主站系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of the master system

圖5 主站電流比對界面Fig.5 The current comparison interface of the master station

圖6 主站事件統(tǒng)計界面Fig.6 Event statistics interface of the master station

圖7 監(jiān)測終端現(xiàn)場部分安裝照片F(xiàn)ig.7 Photos of the monitoring device installation site

案例a：防竊電稽查

在監(jiān)測裝置現(xiàn)場掛網(wǎng)一周后，便可發(fā)現(xiàn)湖北咸寧某酒店的現(xiàn)場電流計量存在異常，如圖9所示。監(jiān)測裝置檢測電流與電能表間存在較大差異，存在短接電能表電流輸入端子竊電的可能。在觀察一周后將該情況匯報相關(guān)管理部門，組織現(xiàn)場稽查人員對該酒店進行了現(xiàn)場勘查。經(jīng)查驗電能表發(fā)現(xiàn)，顯示電流與實際電流一致，而從監(jiān)測裝置主站數(shù)據(jù)曲線可知，該曲線也恰好在稽查時刻恢復(fù)重合。在稽查人員進入現(xiàn)場時，用戶的竊電行為已經(jīng)終止，如圖10所示。2015年11月16日凌晨該電能表電壓回路出現(xiàn)掉電，并損壞無法工作，如圖11所示。將該表拆回檢查后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電路板多處焊接粗糙，有改動的痕跡，存在更改電流采樣部件竊電的嫌疑，拆解圖如圖12所示。

圖8 現(xiàn)場電流曲線Fig.8 Field current curve

圖9 竊電期間電流曲線圖Fig.9 Current curve during electricity stealing

圖10 稽查期間電流曲線圖Fig.10 Current curve during inspection

圖11 電能表被破壞后曲線圖Fig.11 The curve after the energy meter is damaged

圖12 現(xiàn)場電能表拆解圖Fig.12 Dismantling diagram of the field energy meter

案例b：現(xiàn)場接線錯誤糾正

在試點運行過程中，某臺監(jiān)測裝置上報了C相回路的開路事件報警，經(jīng)主站查看電流比對數(shù)據(jù)表明，此時電能表和監(jiān)測裝置檢測到的電流均為零，并持續(xù)產(chǎn)生互感器開路事件，課題組人員通知現(xiàn)場人員，檢查后確認由于接線錯誤導(dǎo)致C相處于開路狀態(tài)，即刻恢復(fù)回路正常，從故障產(chǎn)生到處理完畢僅耗時9 min。

4 結(jié)論

本文研究了計量用電流互感器二次回路狀態(tài)診斷方法，并開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備樣機，總結(jié)如下：

1）計量用電流互感器二次回路狀態(tài)診斷方法可實現(xiàn)對二次回路正常連接、開路和短路的準確識別；

2）基于計量用電流互感器二次回路狀態(tài)診斷方法，開發(fā)了CT二次回路監(jiān)測終端，可實現(xiàn)回路狀態(tài)的實時在線監(jiān)測；

圖13 電流曲線及事件列表Fig.13 Current curve and event list

（3）掛網(wǎng)運行結(jié)果顯示，監(jiān)測終端現(xiàn)場運行可靠，能實時準確上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)計量回路狀態(tài)。

監(jiān)測終端可對高耗能用電企業(yè)違規(guī)用電、計量回路故障進行實時監(jiān)測，并可有效提高業(yè)務(wù)時效性、降低計量與用電檢查等專業(yè)部門人員的工作量，從而有效降低由此而造成的經(jīng)濟損失。此外，該終端性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)上傳及時、可靠，可為現(xiàn)場計量設(shè)備檢修、用電檢查提供有力的技術(shù)支撐。

[1]郭小斌.防止電力大客戶竊電的技術(shù)方案研究 [D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[2]黃曉旭.電力負荷管理系統(tǒng)在防竊電中的應(yīng)用 [J].電源技術(shù)應(yīng)用，2014，53（1）：21-26.HUANG Xiaoxu.Application of power load management system in anti-tampering[J].Power System Technology，2014，53（1）：21-26.

[3]王輝，劉斐.無線通信技術(shù)在防竊電工作中的應(yīng)用[J].電測與儀表，2015，52（1）：124-128.WANG Hui，LIU Fei.Wireless communication technology in anti-tamper work [J].Electric Measurement and Instrumentation，2015，52（1）：124-128.

[4]肖堅紅，趙永紅，薛曉茹，等.電能表健康度分析及整體運行狀態(tài)預(yù)測方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（7）：77-80.XIAO Jianhong，ZHAO Yonghong，XUE Xiaoru，et al.Energy meter health analysis and overall operating state prediction method[J].Power Grid and Clean Energy，2016，32（7）：77-80.

[5]蘇慧玲，劉建，龔丹，等.大規(guī)模電能計量器具智能檢定的優(yōu)化調(diào)度策略探討 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（11）：75-79.SU Huiling，LIU Jian，GONG Dan，et al.Study on the optimal dispatching strategy for intelligent verification of large-scale energy measuring instruments[J].PowerSystem Protection and Control，2015，43（11）：75-79.

[6]許玉香，劉小剛，馬彥琴.電子式互感器對高精度采樣裝置的影響及對策分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（10）：84-87.XU Yuxiang，LIU Xiaogang，MA Yanqin.The influence of electronic transformer on high-precision sampling device and its countermeasure[J].Power Grid and Clean Energy，2014，30（10）：84-87.

[7]王全興，李思韜.基于采集系統(tǒng)的反竊電技術(shù)分析及防范措施[J].電測與儀表，2016，53（7）：78-83.WANG Quanxing，LI Sitao.Analysis and preventive measures of anti-stealing technology based on acquisition system[J].Electrical Mcasurement Instrumentation 2016，53（7）：78-83.

[8]程超，張漢敬，景志敏，等.基于離群點算法和用電信息采集系統(tǒng)的反竊電研究 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（17）：69-74.CHENG Chao，ZHANG Hanjing，JING Zhimin，et al.Study on anti-stealing electricity based on outlieralgorithm and electricity information acquisition system[J].Power System Protection and Control，2015，43（17）：69-74.

[9]袁斐，徐愛蓉，孫婷，等.用電信息采集系統(tǒng)反竊電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2016（6）：253-254.YUAN Fei，XU Airong，SUN Ting，et al.Research and application of anti-stealing technology of electricity informationcollectionsystem[J].TechniquesinElectrotechnics，2016（6）：253-254.

[10]秦珣，陳麗安.基于改進導(dǎo)納法的小電流接地系統(tǒng)接地故障選線方法[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2016，31（1）：96-102.QIN Xun，CHEN Li/an.A method of fault line selection based on improved admittance for small current neutral grounding system[J].Journal of Electric Power Science and Technology，2016，31（1）：96-102.

[11]張曉東，楊劍，鄭磊，等.一種針對電能計量回路分流法竊電的檢測模型[J].山東電力技術(shù)，2016，43（3）：27-29.ZHANG Xiaodong，YANG Jian，ZHENG Lei，et al.A detection model for shunting of power metering circuit shunting method[J].Shandong Electric Power Technology，2016，43（3）：27-29.

Application of the Secondary Circuit State Diagnosis Terminal Monitor for Metering Current Transformers and Its Application

XIONG Bo，JIANG Chunyang，ZHOU Feng，YIN Xiaodong，LIU Junjie，LEI Min
（China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，Hubei，China）

Based on the equivalent circuit of the current transformer under different conditions,this paper puts forward a method for identifying state of the current transformer used for measurement to realize the accurate identification of different load current under the normal connection,open circuit and short-circuit.On this basis,the monitoring terminal of the secondary circuit of the current transformer is developed and then the trial operation is carried out in the real power grid.In addition,the function and performance of the terminal are analyzed with an actual case.

current transformer;secondary circuit;state diagnosis;impedance characteristic

2016-10-05。

熊 博（1989—），男，碩士，工程師。研究方向：電測量技術(shù)、電子電路設(shè)計。

（編輯 張曉娟）

國家電網(wǎng)公司科技項目（JL71-15-044）。

Project Supported by the Science and Technology Program of State Grid Corporation of China（JL71-15-044）.

1674-3814（2017）03-0060-06

TM452

A

姜春陽（1985—），男，碩士，工程師。研究方向：互感器測試技術(shù)、電測量技術(shù)。