电流互感器二次侧回路状态检测装置研制

电流互感器二次侧回路状态检测装置研制

焦通崔广泉孙一宁李昊杨默涵

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院辽宁沈阳110000）

摘要：负载电流通过电流互感器（CT）接入电能表进行计量，若CT二次侧回路被人为改变以达到窃电目的，CT二次侧回路的阻抗特性会发生改变。通过在CT二次侧回路串接测试CT，由STM32微控制器产生特定频段的高频检测信号从测试CT二次侧的一端注入，并由STM32微控制器对从测试CT二次侧的另一端传回的高频信号进行采样和算法处理。CT二次侧回路状态不同，微控制器采集的信号也不同，对应的幅频特性也不同。

关键词：电流互感器；侧回路；检测装置

引言

近年来，随着经济的发展和用电量的增大，许多不法个人或单位受经济利益的驱使，采用各种技术手段进行非法窃电。电力企业虽投入大量的人力和物力试图解决窃电问题，但收效甚微。随着科技的进步、窃电手段的不断提高，以及现有防窃电技术的不足，窃电问题变得越来越突出。窃电问题不仅困扰电力企业的发展，也严重影响了国家的经济建设和发展。目前针对电能表的窃电手段，不外乎以下6种表现方式：欠压法窃电、欠流法窃电、移相法窃电、扩差法窃电、机械法窃电、无表法窃电。根据电力部门统计数据表明，在上述所有窃电的方法中，以通过对电流互感器（CT）二次侧回路即电能表的电流回路，进行开短路的窃电手段最隐蔽、最难发现，并且占窃电的比率最。流过电能表的电流是通过CT二次侧回路产生的，改变电流来窃电，主要是通过对CT二次侧回路开路和短路实现的。在实际情况中由于电压回路电压随着负荷的变化所产生的变化很小，因此，采用人为的方式减小电压容易被发现；而通过改变电压与电流的相角而减少电能表计量功率，又能通过功率因数的变化容易被发现。

1检测原理

电能表在进行单相电量计量时电流回路的连接情况。断开图中CT回路任意一点为开路状态；短接被测CT两侧各一点为短路状态；跨被测CT连接分流电阻为部分短路状态；在CT回路中串接电阻为部分开路状态，其中部分短路和部分开路状态统一定义为异常状态。要求研制的装置能实时、准确地对不同CT二次侧回路状态进行检测。

2硬件电路设计实现方案

2.1测试CT

测试CT是CT二次侧回路状态检测装置的关键部分，测试CT的作用是：将注入的高频检测信号耦合到被测CT二次侧回路中；当被测CT二次侧回路状态改变时，将二次侧回路的阻抗特性的变化反映到测试CT二次侧的信号处理电路。测试CT选择高磁导率的坡莫合金作为磁芯材料，初级线圈匝数为7匝，次级线圈匝数为7匝，初级、次级线圈电感量L3、L4约为470μH，变比K约为1，测试CT的一次侧串入到被测CT二次侧回路中，测试CT二次侧连接信号处理电路。

2.2信号处理电路

信号处理电路包括信号注入电路和信号接收电路。其中信号注入电路是由放大电路、驱动电路和带通滤波电路组成的，其作用是将注入的高频检测信号放大并提高带载能力，并且只允许注入的10kHz～40kHz高频检测信号进入到CT二次侧回路，滤除其它干扰信号；信号接收电路是由带通滤波电路和放大电路组成，其作用是滤除工频信号以及其它干扰信号，只允许10kHz～40kHz高频传回信号进入MCU，并将高频传回信号放大到适合MCU进行A/D采集的幅值范围。

2.3微控制单元（MicrocontrollerUnit；简称MCU）

本系统采用的是STM32F103ＲCT6微控制器作为MCU，其内核为基于AＲM的32位微控制器，该芯片是某公司出品，具有256K的内嵌Flash存储器以及72MHz的处理频率。该芯片拥有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线上的外设，包括2个12位数字输入、电压输出型的DAC模块，11个16位的定时器，3个12位ADC模块等。其中DAC通过定时器触发（1MHz的触发时钟）输出10kHz～40kHz、步进频率500Hz的正弦信号作为注入的高频检测信号，ADC对信号接收电路传回的信号进行采样，采样频率为900kHz，每个频率采集1000个点的数据，根据计算的接收信号幅值与注入信号的幅值可以得到幅频特性值。

3整体测试及结果

3.1检测方法

基于终端计量用电流互感器CT1本身阻抗和感抗特性的一致性，在电流回路二次侧开路状态时，等效于电流互感器CT0的阻抗为无穷大，此时CT开路状态由终端自身电流互感器CT1决定，因此由上述检测电路输出的LXOUT（图18所示）与电流互感器CT0无关。根据电流互感器工作原理，如果不在电流互感器CT1中加入20kHz方波信号，则无法感应电流回路中二次侧开路状态下LXOUT的电压值，从而无法准确诊断。测试时选用实际中比较常用的BH-0．6640I型号CT，其变比为600A/5A，二次线圈电感量为9．7mH。分别对CT二次侧回路进行开路、短路以及正常状态多次测试，可以分别得到开路、短路、正常状态的10kHz～40kHz、步进频率为500Hz的60个频点的幅频特性曲线。

3.2结果

从图中可以看出，该CT二次侧回路开路状态时谐振频率点约为29kHz，正常状态时谐振频率点约为26kHz，短路状态时谐振频率点约为23kHz，并且不同状态的幅频特性曲线容易区分。将上述三条曲线分别标定为开路、正常以及短路状态的幅频特性曲线，并设置开路、正常以及短路状态的三个阈值为±5%，实际中当CT二次侧回路状态被改变时，会生成一条新的幅频特性曲线，将当前幅频特性曲线分别与开路、正常、短路状态标定的幅频特性曲线求协方差，会得到开路、正常、短路三个协方差，将三个协方差分别与对应状态的阈值进行比较，当开路协方差在开路阈值内，则CT二次侧回路为开路状态，当正常协方差在正常阈值内，则CT二次侧回路为正常状态，当短路协方差在短路阈值内，则CT二次侧回路为短路状态，其余情况统一归为异常状态。其中协方差的计算方法为：首先将标定的幅频特性曲线（60个频点）求平均值avg，然后将当前幅频特性曲线与标定的幅频特性曲线的每个点的差值绝对值求平均cov，协方差定义为cov/avg，即当前幅频特性曲线与标定的幅频特性曲线之间的相对平均距离。

结语

文中研制了一款可以应用于不同CT二次侧回路状态检测的装置，该装置在CT二次侧回路串接测试CT，通过注入特定频段的高频检测信号，并接收传回的高频信号，根据幅频特性曲线的变化情况来反映CT二次侧回路阻抗特性的变化情况，从而判断CT二次侧回路状态。试验表明，该技术对二次线圈电感量差别很大的CT，均能准确判断其二次侧回路开路、正常、短路以及异常状态，可靠性高、实时性好，硬件简单，成本较低，体积小，可以嵌入电表内部并且不影响电能表计量，试运行情况良好。

参考文献：

［1］尚秋峰，吕鹏鹏，李梦婵，等．基于本地功率基准的异常用电监测方法［J］．电测与仪表，2014，51（8）：1-5．

［2］冯凌，侯兴哲，孙洪亮，等．基于无线通信的防窃电系统设计［J］．电测与仪表，2011，48（6）：54-57.