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(tuán)有限公司海外表計(jì)事業(yè)部 湖南省長沙市 410000）

1 引言

在城市電網(wǎng)三相四線制電流輸送模式中，零線作為保護(hù)三線電流正常運(yùn)行的接地端，一旦發(fā)生故障后需要立即檢修和排除故障，使城市電網(wǎng)盡快重新恢復(fù)供電狀態(tài)[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(huì)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(xiàn)某一相短路時(shí)或者三相電流無法達(dá)到平衡時(shí)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(cái)產(chǎn)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?nèi)嘀悄茈姳碓杏布O(shè)計(jì)和不增加硬件成本基礎(chǔ)上，通過軟件算法檢測三相智能電表掉零線故障并進(jìn)行故障事件記錄且可通過G3-PLC通信實(shí)現(xiàn)HES對進(jìn)行故障信息的發(fā)生和結(jié)束實(shí)時(shí)感知，在降低成本的同時(shí)大大提高了檢測效率。

2 當(dāng)前三相智能電表掉零線檢測方法

三相智能電表的零線發(fā)生故障或掉落后會(huì)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(yán)重的影響[3]，所以三相智能電表需要時(shí)刻注意維護(hù)零線的正常工作和運(yùn)行。傳統(tǒng)的三相智能電表檢測零線是否出現(xiàn)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(xiàn)場，用專用測試設(shè)備檢測零線電流。另一種方法為，更改電表硬件設(shè)計(jì)，在智能電表內(nèi)部增加零線電流檢測傳感器和相應(yīng)的檢測電路來識(shí)別零線電流。

目前現(xiàn)有的兩種檢測方法都有各自的缺點(diǎn)。第一種檢測方法，電表不能自動(dòng)感知識(shí)別需要人工干預(yù)，存在對故障處理響應(yīng)時(shí)間上的滯后性，且效率低下，從根本上達(dá)不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理故障的要求。第二種檢測方法，能實(shí)現(xiàn)電表自動(dòng)識(shí)別故障但需要在智能電表內(nèi)部增加零線電流檢測傳感器器和相應(yīng)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(fù)載電路的改變

目前現(xiàn)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(dāng)三相智能電表接上G3-PLC通信模塊時(shí)，因?yàn)镚3-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?yōu)槿鐖D2所示。

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

3.2 三相負(fù)載不平衡原理

在正常情況下，三相四線制電源中性點(diǎn)“O”，與三相智能電表的中性點(diǎn)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(fù)載實(shí)際形成了中點(diǎn)不接零線的星形接法（Y），這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不對稱星形接法的中性點(diǎn)0偏移現(xiàn)象[4]如圖4，即三相負(fù)載的線電壓相等，但相電壓不相等。三相負(fù)載差別越大，0的偏移越大，相電壓差別也越大，負(fù)載大的相電壓小，而負(fù)載小的相電壓大。三相智能電表G3-PLC模塊負(fù)載加載在A相上,較其他兩相大，所以當(dāng)發(fā)生掉零線時(shí)會(huì)發(fā)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(shí)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(fù)載5A電流情況

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)際抽取5臺(tái)樣表，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)結(jié)果如表1-表5所示。

4 掉零線檢測算法實(shí)現(xiàn)

通過實(shí)驗(yàn)得出以下掉零線軟件檢測算法，算法包括以下幾個(gè)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(biāo)志清零。

步驟二：電表計(jì)量單元每秒采樣計(jì)算A,B,C各相實(shí)時(shí)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(tǒng)中的秒任務(wù)，每秒對掉零線標(biāo)志進(jìn)行檢查。如掉零線標(biāo)志沒有置位表明當(dāng)前電表沒有發(fā)生掉零線狀態(tài)，程序進(jìn)入步驟四掉零線發(fā)生判斷。如掉零線標(biāo)志置位表明當(dāng)前電表已經(jīng)發(fā)生掉零線，程序進(jìn)入步驟五掉零線結(jié)束判斷。

步驟四：掉零線發(fā)生分兩種情況，各情況下的判斷依據(jù)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(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)則認(rèn)為電表掉零線事件發(fā)生，此時(shí)掉零線標(biāo)志置位并記錄掉零線故障事件。由于零線脫落將導(dǎo)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(gè)條件則認(rèn)為電表掉零線事件發(fā)生，此時(shí)掉零線標(biāo)志置位并記錄掉零線故障事件。由于零線脫落將導(dǎo)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(jié)束判斷：當(dāng)電表當(dāng)前狀態(tài)不滿足步驟四中的判斷條件時(shí)，則認(rèn)為掉零線事件結(jié)束。此時(shí)清掉零線標(biāo)志位并通G3-PLC通信模塊推送零線故障結(jié)束信息給HES系統(tǒng)。

整個(gè)檢測算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

5 結(jié)論

本文在深入分析G3-PLC通信模塊對三相智能電表負(fù)載改變的規(guī)律基礎(chǔ)上，提出了一種通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)對三相智能電表的掉零線檢測。本文提出的算法較傳統(tǒng)的三相智能電表掉零線檢測方法實(shí)現(xiàn)了在不改變現(xiàn)有電表的硬件設(shè)計(jì)和增加硬件成本的基礎(chǔ)上，通過軟件檢測算法實(shí)現(xiàn)了智能電表對掉零線故障的自動(dòng)感知和故障發(fā)生、結(jié)束信息主站HES系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知。