基于异频法的分流窃电监测方法和装置

姜春阳, 刘俊杰，周 峰，殷小东，王斌武，刘 鹍，周一飞

(1.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074；2.国网四川省电力公司 计量中心，四川 成都 610041)

基于异频法的分流窃电监测方法和装置

姜春阳1, 刘俊杰1，周 峰1，殷小东1，王斌武1，刘 鹍2，周一飞2

(1.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074；2.国网四川省电力公司 计量中心，四川 成都 610041)

通过改动电流互感器二次回路连接状态进行窃电的手法较为隐蔽，仅对电流幅值的监测是难以发现的。为实现对CT二次回路短接旁路、开路窃电行为的在线监测，文中提出了基于异频法的CT二次回路状态监测方法，可完成对不同运行工况下开路、短接旁路的准确识别，基于此方法开发了CT二次回路监测终端。实验室和现场运行结果表明，终端可准确识别二次回路典型故障状态，可为用电检查提供有力的技术支撑。

防窃电；二次回路；异频法；监测终端

线损一直以来都是电力公司重要的考核指标之一，随着工业经济的发展，尤其是小规模、高耗能生产企业的增加，窃电已成为某些区域线损居高不下的主要原因。高压电力用户的用电计量回路通常是采用高压电流互感器或电压互感器从高压供电回路上耦合出信号接入计量表计。由于负荷电流是随着用户的用电负荷不停变化而改变的，可以从零变至最大值，难以通过电流的变化情况来判断被计量对象是否在窃电。因此，在众多的窃电手法中，通过改变电流二次回路的分流窃电占窃电的比率最大。目前电能表针对电流回路的三相不平衡和失流事件，也是通过幅值的计算得到的，在一些波动较大和三相负荷使用不合理的计量场合，就会上报该类事件，而二次回路并无异常。而对于三相电流回路均出现短路的情况，又不会上报该类事件。近些年来，针对分流窃电众多学者和技术人员也提出了一些检测方法，如在电流二次回路上设置节点，采用变频谐振的原理，通过判断谐振频率的变化来判断回路状态，不过该方法适用性较差，对不同负荷、不同回路长度均会引起误报。还有文献提出将电流互感器二次端电压与电能表内实际测量值做除法，计算虚拟阻抗。但简单分析后即可发现，该方法根本无法识别短线短接电流互感器二次输出端子的窃电方法，而试图通过电流阀值法来解决电流型窃电问题的方法也并不科学[1-6]。综上，由于二次回路技术手段缺乏，一直处于无监管的状态。因此，亟需一种技术及装置实现对电流二次回路分流窃电的实时监测，并融入目前的用电信息采集系统中，即时主动上报二次回路状态信息，为用电稽查和检修提供数据支撑，提高工作效率，减小由于窃电给电力公司所带来的经济损失。

1 常见分流窃电分析

分流窃电的基本原理是通过短接、开路的方式减少流入电能表采样端的电流幅值，常见的窃电手段有：(1)电流互感器二次端子短接；(2)电能表电流采样端子短接；(3)电流互感器二次开路。

图1 电流互感器折算到二次等效电路

若在等效电路图中的1,2端口出，做电流互感器二次回路的二端口网络等效阻抗ZE计算为

(1)

在进行阻抗测量中，异频法是较为常用的手段[7-8]。其基本原理是，在回路中施加高频信号，并通过检测高频信号的幅值，计算回路的阻抗。然而在本研究中，电流二次回路是存在工频电流信号的，因此若要在工频信号中识别高频信号，首先需要注入一定能力的信号，同时在技术上需要精密的检测传感器，才能对二次高频弱信号准确检测，但从成本上、对计量可能带来的影响上，均难以接受。因此，本研究提出了以异频法为基础，结合辅助判据的回路状态识别方法，避免测试中工频信号的干扰，实现对分流窃电检测。

图2给出了原理示意图，主传感器部分由1个微型PT和1只电感构成，辅助后端的电子电路部分，获得在回路阻抗、二次电流变化时的特征量，并获得回路正常连接、短路、开路状态信息。

具体工作原理：

(1)由电感L、两只电容C和正反馈网络电路构成的振荡电路，设计上电容C为固定值，电感L则采用环形电感，电流二次线以穿心的方式穿过，电感线圈，由于电感两端对于工频信号而言接近于开路。因此，电感可轻易进入饱和状态，相应的电感量也会降低，振荡电路的振荡频率会增加。但在电流过零点附近，电感铁芯尚未处于饱和状态，故电感量最大，振荡频率最小，相对稳定，可用于对回路状态进行判断；

(2)当图3中示意的电流互感器二次端子被短接时，电感L则被一根导线短接了一匝，电感量会降低，此时振荡电路的振荡频率最小值会升高，该振荡频率的最小值即可作为回路端子短接的判据；

(3)通过交流采样，获取二次回路工频电流幅值，判断当二次回路电流为0 A时，将通过微型PT向回路中注入高频电压信号，并在L两端通过信号放大和A/D采样电路采集，用于判断电流互感器的二次回路是处于正常连接无电流状态，或是开路状态。

图2 二次回路状态检测方案

2 回路状态检测方案测试

在实验室将上述回路状态检测方案的硬件电路连接与电流互感器二次回路中，通过施加工频电流验证不同状态下的检测效果。

2.1 低负荷电流下的回路状态检测

在电流互感器的连接状态中，正常连接状态有两种情况，一为无电流或低负荷连接；另外一种为有工频电流下的正常连接。当自激振荡电路工作时，图3给出了0 A电流条件下，自激振荡电路的波形，信号频率一致稳定，最大最小频率均约为23 kHz。

硬件电路中增加了电能表使用的微型CT，用于测量工频电流，在确认回路无电流后，监测电路启动注入信号，并通过L检测高频信号幅值。图4给出了检测到的高频信号，按照设计，若能检测到一定幅值的高频信号，则判断回路为0电流条件下的正常连接。

若检测到的高频信号极低，自激振荡后检测到的高频信号接近0，则认为回路为开路状态。

若返回值极高，超过了A/D采样的量程，则认为回路存在短接情况。

图3 0 A电流下自激振荡电路方波波形

图4 LC构成的谐振电路检测到的高频信号波形

2.2 存在电流时的回路状态判断

回路中存在电流时，将引起谐振电感的变化，其电感量会随着负荷电流的幅值而变化，相应振荡电路的频率也随之变化。不过在工频电流过零点处，其电感量是相对稳定的，因此可检测正当频率的最小值，判断回路状态。若电流端子被短接，如图6所示，其最小频率变大，已接近41 kHz。因此，在有电流的情况下，通过最小频率的测量便可判断回路是否存在短接状态。

图5 有电流条件自激振荡信号波形图

图6 有电流条件下CT端子被短接时自激振荡信号波形图

通过上述分析与测量可以发现，通过自激振荡频率和高频信号的施加及检测便可判断出，无电流条件下的正常连接、短接和开路状态，以及有电流情况下的正常连接和短接状态。

3 CT二次回路监测终端

将前文提到的回路状态检测功能单元作为一个固定的模块，再配合外围辅助电路，就可以实现计量现场电流互感器二次回路状态的实时在线监测。监测终端的功能框图如图7所示，外部电路配合实现装置的通信、事件处理、电源管理等功能。

图7 CT二次回路监测终端硬件框图

4 对电能计量影响的测试

在设计上，监测终端将串接于电能表前端电流互感器的二次回路中，其电源供电可能并接于电压互感器的二次。因此，其对于电能计量整体带来的影响必须着重考虑，为此设计了如图8所示测试线路图。其中，T1和CT1为系统用10 kV电压和电流互感器，准确度等级为0.1级和0.1s级；T2和CT2为标准电压和电流互感器，准确度等级为0.01和0.01s级。被测三相电能表为0.1级，标准电能表使用的是RD33，0.01级，施加额定电压和电流后，测试三相电能表在安装监测装置前后的计量误差，计算监测装置对电能计量带来的影响。测试数据如表1所示，从数据可以看出，计入监测装置后电能表有功计量误差增加<0.002%，该误差主要是由于监测装置接入带来的互感器负荷误差，对于0.1级的电能表，该影响是完全可以忽略的。

表1 对电能计量影响测试数据

图8 监测装置对电能计量影响测试线路图

5 样机试用

先后在湖北、江苏和四川完成了13台监测终端的现场安装，安装对象分别选取了工业用户、居民用户、商业用户，计量方式高供高计和高供低计各近50%。

图9 监测终端现场安装照片

现场运行显示，监测装置运行可靠，在不同负荷电流条件下，均无误报情况，并及时发现一起现场电流回路错接线事故。

6 结束语

为解决分流窃电难以监测的技术问题，本文提出了基于异频法的回路状态监测方法，并开发了相应的样机，总结如下：(1)基于异频法和辅助判据制定的回路状态检测方案，可实现对二次回路正常连接、开路和短路的准确识别；(2)基于该监测方案，开发了电流互感器二次回路监测终端，可实现回路状态的实时在线

监测；(3)挂网运行结果显示，监测终端现场运行可靠，无误报。

监测终端可对高耗能用电企业违规用电、计量回路故障实时监测，可有效提高业务时效性、降低计量与用电检查等专业部门人员的工作量，更能有效降低由此而造成的经济损失。终端性能稳定，数据上传及时、可靠，可为现场计量设备检修、用电检查提供技术支撑。

[1] 韩谷静,殷小贡,秦亮,等.电能计量设备防电流法窃电新技术[J].电测与仪表,2007,44(10):29-32.

[2] 王辉,刘斐.无线通信技术在防窃电工作中的应用[J].电测与仪表,2015,52(1):124-128.

[3] 李小佳.对反窃电技术研究及“零距离”复录系统的实现[D].广州:华南理工大学,2011.

[4] 卢瑛,吴国忠.新型单相防窃电电子式电能表[J].电子技术应用,2010,36(3):130-132.

[5] 张鹏飞,吴为麟,邱杏飞.基于CT阻抗的防窃电技术[J].机电工程,2008,25(12):46-48.

[6] 秦春斌,赵建军,张磊,等.电力计量系统分流窃电分析与建模[J].电测与仪表,2009,46(2):39-42.

[7] 张晓东,杨剑,郑磊,等.一种针对电能计量回路分流法窃电的检测模型[J].山东电力技术,2016,43(3):27-29.

[8] 肖勇,周尚礼.电流互感器二次回路故障智能检测方法研究与设计实现[J].电力系统保护与控制,2010,38(12):115-120.

[9] 陈欣,董伟,赵荣普,等.电流互感器二次回路渐变性故障诊断方法研究[J].云南电力技术,2016,44(2):39-42.

[10] 王松,兀鹏越,孙钢虎,等.电流互感器二次回路端子松动故障分析[J].华电技术,2015(4):19-21.

[11] 宋述勇,郝伟,李瑞.电流互感器及其二次回路若干技术问题的探讨[J].山西电力,2015(6):4-6.

[12] 李晓伽.红外测温技术在TA二次回路故障检测中的应用[J].电工电气,2013(6):60-61.

[13] 孙翔,何文林,詹江杨,等.电力变压器绕组变形检测与诊断技术的现状与发展[J].高电压技术,2016(4):1207-1220.

[14] 高琴.压电阻抗技术在动态信号激励梁的应用研究[D].淮南:安徽理工大学,2012.

[15] Lan Shihong,Wan Quan,Zhang Jian.Application analysis of admittance method used for fault monitoring of secondary loops [J].Electrical Measurement &Instrumentation,2007,42(3):25-29.

Short Circuit of the CT Monitoring Method and Device Based on the Different Frequency

JIANG Chunyang1，LIU Junjie1，ZHOU Feng1，YIN Xiaodong1，WANG Binwu1，LIU Kun2， ZHOU Yifei2

(1.China Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China;2. State Grid Sichuan Electric Power Company,Chengdu 610041,China)

The method of changing the current transformer secondary circuit connection state to stealing electricity is relatively hidden, it is difficult to find through monitoring the current amplitude. In order to realize the monitoring of the CT secondary circuit short, open state, in this paper a method based on the different frequency is proposed to recognize the CT secondary loop condition under different operating condition, CT secondary circuit monitoring terminal is developed based on this method. The results in laboratory and site operation show that the terminal can accurately identify the secondary loop state, can provide powerful technical support for electrical inspection.

preventing electricity-stolen; the secondary circuit; different frequency method; monitoring terminal

2016- 12- 2

国网公司科技项目(JL71-15-044)

姜春阳(1985-)，男，硕士，工程师。研究方向：互感器测试技术等。刘俊杰(1986-)，男，硕士，工程师。研究方向：电测量技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.051

TM645.2

A

1007-7820(2017)03-185-04