电流互感器二次侧接入状态在线监测装置技术

侯战斌， 郭 飞， 闻志国， 李 岩， 李胜芳

(北京智芯微电子科技有限公司， 北京 100192)

随着我国电力事业的迅猛发展，电量需求的不断增长，供电企业由于窃电造成电量的流失逐渐加重，使国家利益受损。传统专用变压器电力用户计量回路主要由电流互感器、电能表和采集终端组成，电力巡检人员会不定期对计量电流互感器安装现场巡检，通过目测对电流互感器的外观、外部的接线以及计量用的电能表进行检查已达到防窃电的目的，但这种巡检方式浪费大量人力资源且存在实时性、准确性、可靠性等缺陷。为此本文基于电工原理、回路阻抗监测、电能计量和计量回路中电流的基波、谐波分析等理论研究一种电流互感器二次侧接入状态实时监测的装置，用来实现对电流互感器的接入状态(包括：回路正常、回路开路、回路短路、回路整流等状态)的准确识别，并将识别后的状态按照规定的通信协议及时将信息上传至国家电网营销主站，对非正规用电及时报警。

1 监测装置整体概述

1.1 项目背景

国家电网公司经营区域覆盖全国26个省(自治区、直辖市)，占国土面积的88%，供电人口超过11亿人。电力客户较为多元化，部分客户在利益驱使下，利用各种手段破坏或干扰电力计量设备,进行窃电。据新华网报道每年全国因窃电损失电费两百多亿元，此外因窃电导致事故所造成的间接损失则更为巨大。从全国各地查获的窃电作案手段来看，窃电作案手段正向隐蔽化、高科技化等方向发展，除了普通型窃电手法：采取私拉乱接、无表用电等手段窃电以及私自开启电能表计量封印等窃电方法外，出现了诸多技术含量较高的新型窃电手段，如加装遥控装置短接current transforme (简称CT)二次回路，改变CT变比，更换互感器，改变铭牌等；更有不法企业购置大功率整流逆变装置，利用线路中的直流分量使电流互感器误差增大，甚至饱和，从而达到其窃电的目的。这些窃电手段较为隐蔽，缺少必要的监测装置，往往无法取证，稽查困难。

面对如此严重的窃电行为，北京智芯微电子科技有限公司研发一款电流互感器二次侧接入状态在线监测装置，在此工作基础上提出基于用电信息采集系统的差异化防窃电技术与策略研究，同时建立多功能防窃电模拟平台，检验各个防窃电装置及方案的可行性，构建一套智能、可靠、有效的防窃电体系，为防窃电工作提供强有力的技术支撑。

1.2 系统架构与组成

电流互感器二次侧接入状态在线监测装置内嵌于回路状态巡检仪中，巡检仪串接在电流互感器二次侧计量回路中，该监测装置对电流互感器二次侧的接线状态进行实时监测，当侦测到电流互感器异常接入时会通过回路状态巡检仪主动上报到国网营销系统主站，电力巡检人员会根据回路状态巡检仪的安装位置到现场做深入排查，从而达到规范用电的效果。下图1展示的是监测装置运行系统架构图。

图1 监测装置运行系统架构图

下图2展示的是电流互感器二次侧接入状态在线监测装置实物照片。

图2 监测装置模块实物

2 监测装置硬件设计实现

电流互感器二次侧接入状态在线监测装置的硬件设计实现主要由三部分组成：专用的三磁芯CT、信号注入及耦合信号采集电路和高精度的交流采样电路。

2.1 专用的三磁芯CT设计

传统双磁芯的方案从在很多弊端[1]，难以全面、有效覆盖所有变比电流互感器的窃电模型。比如大变比的电流互感器二次回路开路故障是三相动力电能计量回路中常见的一种故障，双磁芯方案由于高阻抗测量灵敏度低的局限性根本无法监测出这种故障。另外电流互感器的故障模型还会因为系统高供高计和高供低计变得更加复杂，双磁芯方案再实际应用中有很大的局限性。

本装置创新的使用三磁芯CT的设计如下图3所示，除交采环外增加一个信号注入环和和一个信号采集环两个独立磁芯，并采用异频注入技术[2]，将高频电信号直接注入到计量电流互感器二次回路中，通过返回电信号的特征来识别二次回路的接线状态。一注一采双磁芯对回路特征提取更直接，回路阻抗识别精度更高。

图3 专用CT实物及其功能示意图

2.2 信号注入及耦合信号采集电路设计

电流互感器二次侧接入状态在线监测装置的设计核心是对整个二次侧计量回路的阻抗特性进行准确识别，该部分功能通过信号注入及耦合信号采集电路来实现如下图4所示。

图4 信号注入及耦合示意图

下面以ABC三相电流计量回路中的一相对该部分电路详细说明，监测装置的主控选用带浮点运算的ARMCortexTM-M4处理器，处理器产生从5KHZ和10KHZ两种频率的PWM方波信号，该方波通过隔离整形缓冲电路形成正玄波[3]，然后通过控制双刀四掷的模拟开关顺序分时选通ABC三相中的某一相的功率输出驱动电路[4]，将调制后的高频信号注入CT的注入环绕组，CT信号采集环绕组耦合过来的信号经过接收缓冲器和回波调理电路接入处理器的ADC接口，处理器采集ADC数据并做运算处理，并将数据存储在回路阻抗特性的数据结构体中作为后续状态监测判断的依据。

由于实际应用中计量电流互感器的变比多样、电力用户的用电负荷千差万别，CT信号采集环绕组耦合过来的信号也大小不一，这就需要回波调理电路如下图5所示，把信号放大调整到合适的电压范围，以便ADC的精确采样。本项目通过改变74HC4053模拟开关的选通状态实现对信号放大电路增益的调节[5]。

图5 回波调理电路

回路阻抗特性的数据结构体内容为18个字节(数据结构如图6所示)，分为8类数据：无驻波低增益、无驻波高增益、有注入波5 KHz低增益、有注入波5 KHz高增益、有注入波10 KHz低增益和有注入波10 KHz高增益下回路阻抗的数据值，以及磁场干扰检测数据和模块温度数据(磁芯的自感量和温度相关，采集模块的温度值对整个回路的阻抗值进行补偿[6])。

图6 数据结构图

2.3 高精度的交流采样电路

交采部分电路如下图7所示，电流互感器二次侧电流经过1∶1 000的CT交采环耦合进入模块的计量电路，该电流信号通过1阶RC低通滤波器和抗混叠滤波器滤除高频信号后接入ATT7053AU计量芯片[7]。该计量芯片采集的数据通过SPI接口将数据实时发送给主处理器。EEPROM在本项目中主要用于存储交流采样的调校数据和CT自身回路阻抗出厂校准的数据。

图7 交流采样示意图

3 监测装置软件设计实现

电流互感器二次侧接入状态在线监测装置的软件设计实现主要由四部分组成：装置生产调校部分、信号采集数据处理部分、电流互感器接入状态判断部分和通信规约部分。

3.1 生产调校设计实现

本装置是通过二次侧回路的阻抗特性和电流的谐波分析来实现对电流互感器二次侧接入状态在线监测识别的装置，为排除专用CT、阻容元器件和线路板本身的差异，出厂前需对装置进行大小电流和专用CT自身阻抗的校准[8]，类似的调校流程和软件的实现方法网上有很多例程，在此不做赘述。

3.2 信号采集数据处理设计实现

工频电流是本装置需要采集的重要参数，实际应用中由于电网负荷比较复杂，电源的频率并不是标准的50 Hz,而是存在一定的偏差(图8展示了实际电源频率和标准频率的差别)，为了实现对工频电流的高精度计量，首先要实现对电网实际频率的准确计算。

图8 频率偏差示意图

频率计算的流程如下图9所示：主控制器运用准同步算法对采集的第一个周期信号进行DFT运算处理，计算得出x、y分量，运用反正切函数求出第1个周波相对基准信号的弧度数φ1，同样的方法计算出第2个周波相对基准信号的弧度数φ2，然后计算出相邻两个周波的弧度差和实际频率与基准频率的频偏[9]，进而得出实际的工频频率。

图9 频率计算流程图

计算出工频电流实际频率后，再根据频率将原始数据进行加窗处理[10]，后经傅里叶变换后计算出电流的基波、二次谐波及电流有效值等电力参数。

3.3 电流互感器接入状态判断设计实现

计量用电流互感器常见的异常接入状态主要有：互感器二次侧开路、二次侧短路分流、二次侧整流和强磁干扰等，本装置对以上接入状态的判断流程如图10所示。

图10 回路状态判断软件流程图

首先处理器会判断电流互感器的二次侧计量回路是否有电流，当无电流时，继续判断二次回路的阻抗是否大于开路的阻抗阈值(回路接入状态开路时二次回路的阻抗会无穷大)，如果大于开路阻抗阈值则判定互感器二次侧开路；否则继续判断回路接入状态是否为短路 (回路接入状态短路时注入波的耦合信号与二次侧不接电流互感器直接短路时注入波耦合信号的标定值做差处理，如果差值的绝对值小于短路阈值则判定为短路)，如果回路接入状态也不是短路则判定接入状态为正常接入。

当电流互感器的二次侧计量回路有电流时，首先判断二次谐波与电流基波的占比是否超过10%，如超过10%则判定状态为互感器二次侧被整流(正常情况下，电网中几乎没有二次谐波，当电流互感器二次侧串接二极管整流后，电流信号会引入二次谐波，且二次谐波相对电流基波的占比较大[11])。如果回路接入状态不是回路整流则继续判断回路接入状态是否为短路(使用无注入波时高低两种增益采集到的耦合信号的差值与短路阈值做比较，当电流互感器二次侧短路时，没有注入波的情况下高低两种增益采集到的耦合信号相差不大)，如果回路接入状态也不是短路时则判定接入状态为正常接入。

强磁干扰的状态判断则是使用霍尔传感器来实现的，当装置附近有强磁场环境时该传感器的状态脚会置高，主控通过对IO引脚输入电平的高低来判断计量电流互感器有没有被强磁干扰。

4 监测装置现场应用情况

电流互感器二次侧接入状态在线监测装置内嵌于回路状态巡检仪中，将回路状态巡检仪挂装到检测台体，该台体可以通过软件控制模拟电流互感器常见的几种窃电方式，测试主站定时召测线监测装置识别的电流互感器二次侧接入状态并与主站设置的状态做对比，以此验证该装置的状态监测的准确性。巡检仪在中国电力科学研究院进行全性能及全功能等30余项检测，全部合格。电流互感器二次侧接入状态在线监测装置产品代替了以往人工巡检的工作，解放了大量的人力资源，同时排除了人力巡检徇私舞弊的情况，减少了国有资产流失。挂网运行一年多时间内查获违规窃电行为三十余起，有效的规范了企业的用电行为。

5 结论

本文研究了电流互感器二次侧接入状态实现判断监测的实现方法，并设计生产电流互感器二次侧接入状态在线监测装置，研究结论如下：

1)该装置能快速准确判断电流互感器二次侧接入状态，当互感器异常接入时能够通过巡检仪主动上报事件至后台主站；

2)该装置能够规范企业用电，并减少电力巡检人员的工作量，由此提高电力公司的经济效益。