电能计量互感器二次回路状态识别系统*

姚 腾，李育灵，王婵琼，王红斌，聂晓龙

(1. 中国电力科学研究院 武汉分院，武汉 430074； 2. 国网山西省电力公司 长治供电公司，山西 长治 030001)

电能计量表由于安装在用户侧，常面临窃电的风险[1-3].电能计量表主要由互感器、二次回路和电能表等部分组成[4-5]，其中，电能表由于相对比较独立，防强磁干扰和开封能力较强，可以起到防窃电作用；互感器由于进线段高压的威慑，从此部分进行窃电的可能性很小；于是二次回路也就成了窃电最有可能的环节[6-7].目前，众多学者对互感器二次回路的窃电行为提出了诸多可供参考的技术方案，主要有电流相位平衡法、附加电流检测电路法、电流阀值法以及主动短路法等[8-9]，且依据此类原理，已经在市面上出现了众多防二次回路分流窃电的设备.但由于价位和适用性等自身原因，并未得到大面积推广[10-11].

本文针对互感器二次回路的等效模型和分流模型展开分析，提出二次回路检测原理，并采用自激振荡电路对监测方案进行了优化.设计并制作了二次回路状态检测的专变采集终端和回路巡检仪样机，并通过现场应用论证了样机的适用性.

1 互感器二次回路分流模型

1.1 互感器折算等效模型

将电能计量表中的电流互感器折算到二次回路中，其等效电路如图1所示.

图1 电流互感器二次回路等效电路Fig.1 Equivalent circuit of current transformer secondary loop

图1中，Z′1为一次侧绕组内阻抗换算到二次侧阻抗的值，Z2为电流互感器二次侧内部阻抗，Zm为电流互感器励磁阻抗，ZS为二次回路导线的阻抗，ZL为电能表输入阻抗.正常工作条件下，由端口1和2监测的等效阻抗为

ZE=Z′1//Zm+ZL+ZS+Z2

(1)

1.2 二次回路的分流窃电模型

常见的二次回路窃电方法有：将CT二次端子进行短接或开路、将电能表电流线圈接线端子进行短接或者断开，分别对这4种方式进行等效处理，其中，短路CT二次端子等效电路图如图2所示，由等效电路图2可知，1和2端口的等效阻抗为ZE=(Z′1//Zm+Z2)//Z0+ZL+ZS.

图2 短路CT二次端子等效电路Fig.2 Equivalent circuit of secondary terminals of short circuit CT

短接电能表电流线圈接线端子等效电路图如图3所示，此时等效阻抗ZE=Z′1//Zm+Z2+Z0//ZL+ZS.

图3 电流线圈接线端子短接等效电路Fig.3 Equivalent circuit of short circuit of current coil wiring terminals

开路CT二次侧等效电路图如图4所示，此时，二次阻抗接近无穷大.

图4 CT二次侧开路等效电路Fig.4 Equivalent circuit of CT secondary open circuit

2 互感器二次回路窃电特征量识别

2.1 二次回路窃电特征参量识别技术

为了提高高频信号检测幅值，将传统的注入高频与检测高频方法进行改进，即将原方案中使用检测CT与二次电容构成谐振电路.该方案在空载条件下检测结果如图5所示，方案具有较好的识别率，对二次回路开路、二次回路短路、一次回路短路均有较好的识别效果.然而当存在负荷电流的情况下，由于检测CT的电感值变化较为明显，容易引起监测部分处于失谐状态.若检测CT饱和，在工频电流工作条件下，负荷电流波形将会产生严重畸变，同时也会夹杂一定的谐波，0.1 A工频电流条件下测试结果如图6所示.

图5 检测CT在空载条件下的监测波形图Fig.5 Monitored waveform of CT under no-load condition

图6 检测CT在饱和时的波形图Fig.6 Waveform of CT at saturation state

在图5、6基础上衍生出两个终端监测CT开路和短路的方案，如图7所示.图7a通过电磁耦合的方式向回路中注入高频信号，并对高频信号进行检测.从实际应用情况来看，检测器检测信号的信噪比较差，经滤波放大后难以判断开路和正常低负荷状态.图7b使用二次回路中的线圈与两支电容构成了自激振荡电路，通过检测振荡的最小频率判断回路状态.该方案最大的优点就是成本低，但同样存在开路与正常低负荷状态难以区分的问题.

图7 二次回路窃电检测方法等效电路Fig.7 Equivalent circuit of detection methods against electricity stealing with secondary loop

2.2 二次回路窃电特征参量检测方案优化

结合图7中两种方案的优点，将自激振荡电路同时兼做注入高频信号的谐振检测电路，提出了如图8所示的技术方案，工作时检测单元串接于二次回路.主传感器部分由1个微型CT、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二次回路的特征参量，从而判断二次回路的运行状态.

图8 二次回路状态检测方案Fig.8 State detection scheme of secondary loop

图8中检测传感器部分是由一个电感L、两个电容以及一个反相器组成的振荡回路构成，且振荡回路的频率与LC的值相关.流入振荡器的电流幅值会影响电感L的值.当流入电流较大时，铁芯可能进入饱和状态，从而导致振荡回路的电感值减小.根据公式f=1/2π(LC)-1/2可知，若回路电感值减小，回路的振荡频率反而会增加.如果流入二次回路的电流为工频，振荡频率的变化也会是周期性的，因此，计算振荡频率最大值与最小值之间的差值，即可判断回路中是否有工频电流存在.

当电流互感器二次回路出现短接现象时，振荡回路电感L也会被短接，从而导致电感L值减小.根据谐振公式，最终会使振荡器的振荡频率最小值增加(电流过零点时电感最大，振荡频率最小)，因此，可通过振荡频率最小值来判断电流互感器二次回路的短接情况.

当振荡回路判别到电流较低时，检测系统会通过PT注入高频电压信号，其注入频率与检测传感器振荡回路的频率相同.因此该信号会被振荡回路放大，利用A/D采集单元对该谐振信号进行采集，即可用于判别二次回路是正常连接无电流状态还是开路状态.

3 计量二次回路防窃电检测样机

根据图8所示的二次回路检测技术，对传统的电能计量表进行性能改进，用二次回路状态检测终端代替原电源板上的CT，并提供±5 V且最大功率为1 W的电源.再使用ESAM芯片与检测终端进行机械式合法身份的认证，并与状态检测终端间通过RS485通信.

二次回路状态巡检仪串联于电能表的电流回路，并联于电能表的电压回路，但不影响电能表计量精度.回路状态巡检仪核心检测单元与二次回路状态检测终端模块相似，但需要借助外部设备来实现装置的数据传输和数据处理等功能，巡检仪整体框图如图9所示.CT回路状态监测单元通过高速率、高精度信号采样电路和基于阻抗特征的多重判据方法实现对电流互感器回路状态的准确实时监测.外围CPU主要是计算电流有效值，并通过远程通信单元将特征量异常情况反馈至信息管理系统.

图9 回路状态巡检仪整体框图Fig.9 Overall block diagram of loop state inspector

CT回路状态监测单元集成数字信号合成技术、功率放大技术、自激振荡技术、异频注入技术、电流比对技术、频率扫描技术及基于阻抗特征的多重判据方法，采用高信噪比运算放大电路及4阶带通滤波信号处理电路进行信号采集与数据处理，识别判断计量回路状态信息，CT回路状态监测单元检测原理图如图10所示.

图10 CT回路状态监测单元检测原理图Fig.10 Schematic diagram of detection principle for CT loop state monitoring unit

模块中的电压耦合互感器将低压信号发生装置产生的低压方波信号耦合到二次回路中，再通过模块中的高精密电流检测电路采集回路电流信号.采集到的电流信号经信号处理单元处理后，送至数据处理单元进行数据运算和分析.

模块数据处理单元采用基于阻抗特征的多重判据方法，包括频率分析识别算法、幅值分析识别算法、波形分析识别算法、幅频特性分析识别算法、阻抗分析识别算法、自激振荡扫频算法和电能比对算法.

回路状态检测的专变检测终端和回路状态巡检仪在电能计量表中的工作示意图如图11所示.这两种方法的搭配可以有效检测和监测二次回路端子短接或开路、电能表电流线圈接地端子短接或者断开以及计量回路是否发生异常等窃电行为.

图11 检测终端和巡检系统工作示意图Fig.11 Schematic operation of detection terminal and inspection system

此系统在湖北咸宁某酒店进行了现场安装应用，采样时间为一周.通过统计数据发现了明显的窃电现象，监测电流曲线如图12所示.由于电流波形会周期性的出线异常，故检测人员对该区域进行了排查.在排查过程中，电流显示为正常状态，如图12a所示；但隔天电能表出线掉电现象，负控测量点电流消失，如图12b所示.经现场调研，对电能表进行了针对性分析后发现，电能表内部电路有多处改动.

4 结 论

本文提出了一种基于阻抗特性的互感器二次回路状态识别方法，采用自激振荡电路同时兼做注入高频信号的谐振检测电路技术，改造现有采集终端设备，研制了一种能够有效检测二次回路互感器发生开路和短路、电能表发生开路与短路等窃电行为的专变采集终端.通过分析实际应用案例表明，系统能够及时发现窃电现象，论证了该技术的可行性.

图12 电流曲线图Fig.12 Current curves