可用于CT二次回路状态识别的方法和模块研究
姜春阳+刘俊杰+周峰+殷小东+刘鹍+周一飞
摘 要： 为了实现对计量用电流互感器二次回路状态的准确识别，理论分析了在不同状态下的回路等效电路图，提出基于阻抗特征的电流互感器回路状态监测方法，实现了对不同负荷电流下正常连接、开路和短路状态的准确识别，基于此开发了CT二次回路监测模块，并将其成功扩展应用于专变采集终端中，扩展后的专变终端在现场进行了挂网试运行，结果表明，终端运行稳定，数据上传及时、可靠，可为现场计量设备检修、用电检查提供有力的技术支撑。
关键词： 二次回路； 状态识别； 功能扩展； 专变采集终端
中图分类号： TN911?34； TM41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0143?04
Research on recognition method and module for CT secondary circuit state
JIANG Chunyang1， LIU Junjie1， ZHOU Feng1， YIN Xiaodong1， LIU Kun2， ZHOU Yifei2
（1. China Electric Power Research Institute， Wuhan 430074， China； 2. Metrology Center， State Grid Sichuan Electric Power Company， Chengdu 610041， China）
Abstract：In order to identify the secondary circuit state of current transformer used for metrology accurately， the theoretical analysis of circuit equivalent circuit diagram under different conditions is carried out， and a new secondary circuit state monitoring method based on the impedance characteristics is proposed. With the method， the accurate identification of the normal connection， open circuit and short circuit states under different loads was realized， and a CT secondary circuit monitoring module was developed. It has been applied to specific change acquisition terminal， whose pilot run was performed on the spot. The results of pilot run indicates that the terminal operates reliably， the data upload is timely and reliable， and it can provide powerful technical support for equipment maintenance and electricity inspection.
Keywords： secondary circuit； state recognition； function extension； specific change acquisition terminal
0 引 言
電能计量由三个主要部分组成：互感器、二次回路和电能表，相对于互感器而言，二次回路和电能表是防护比较薄弱，容易被违规用电者改动的部分。随着近些年智能电能表和采集系统的推广，电能表已经能够实现对电能表开盖、停电、强磁干扰、参数修改等诸多事件的记录，同时ESAM加密芯片的使用，使通过软件进行篡改参数的情况也被杜绝。而二次回路却由于技术手段缺乏，一直处于无监管的状态。在针对二次回路中电流回路的欠流法窃电是最常用的手段，欠流法指窃电者采用各种方法故意改变计量电流回路的正常接线，或故意造成计量电流回路故障，使电能表的电流线圈无电流通过或只通过部分电流，从而导致电量少计。而针对电流回路的改动，仅从电流幅值的变化时无法反应二次回路的状态[1?7]，如三相不平衡和失流事件，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。因此亟需一种技术及装置实现对电流二次回路状态的实时监测，并融合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，为计量装置在线监测、用电稽查和检修提供数据支撑，提供工作效率，减小现场运维人员工作量，提高客户服务质量。
1 CT二次回路状态检测技术方案
只要对进入电能表电流回路的任何地方实施了短路或开路，都将造成流入电能表的电流减少，使得电能表计量的电量比实际电量减少。常见的窃电手段有：
（1） 对CT二次端子进行短路；
（2） 对电能表电流线圈接线端子进行短接；
（3） 开路CT二次侧（高压计量方式下，此种窃电方式很少）；
（4） 虚接或断开电能表电流线圈接线。
图1给出了电流互感器折算到二次等效回路。其中：CT二次阻抗监测单元串联接入CT二次回路；CT二次阻抗监测单元检测的阻抗主要包括CT二次阻抗、二次回路等效阻抗以及电能表输入端等效阻抗。
图1中：Z2为电流互感器二次内阻抗；ZS为二次回路导线阻抗；ZL为电能表输入阻抗；为一次绕组内阻抗折算到二次侧的值；Zm为励磁阻抗。
正常工作条件下，1，2端口的等效阻抗为：
（1）
式中，Zm与电流互感器一次电流有关系，但由于较小，所以Zm随一次电流的变化并不会给测量ZE带来影响。
在电能表针对上述四种常见分流窃电情况下，其等效电路如图2所示，其中Z0为短接线等效阻抗。
图2 不同窃电状态下的电流互感器及二次等效电路图
当出现如图2（a）所示的短接CT二次端子时，二次等效阻抗为：
（2）
如图2（b）所示的电能表电流接线端子进行短接时，二次等效阻抗为：
（3）
如图2（c）所示的断开电能表电流端子接线?开路时，二次等效阻抗为：
（4）
如图2（d）所示的开路CT二次侧时，二次等效阻抗为：
（5）
从等效电路分析，在不同回路状态下回路阻抗均有不同的变化趋势，所以如果能够在二次回路中设置某种电路，可以根据回路阻抗特征的变化，提取一定的特征量，在结合二次电流的数据，实现对回路状态的判断。
图3给出了回路状态检测的方案，在进行回路状态检测时，检测单元需要串接于电流互感器二次回路中，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和回路正常连接、短路、开路的状态信息。
具体工作原理是：
（1） 振荡电路由电感L、两只电容C和正反馈网络电路构成，电路的振荡频率与L和C值有关。其中电感L的电感量与工频电流的幅值有关系，当工频电流幅值升高时，由于铁芯材料进入饱和状态，电感量会降低，振荡电路的振荡频率会随着电流幅值的增加而增加；因此振蕩电路的振荡频率会随着电流的变化呈现周期性的增加和减小，在电流过零点处，电感量最大，振荡频率最小。
（2） 中提到，振荡电路的振荡频率与L值有关系，当图3中的电流互感器二次端子被短接时，电感L就被1根导线短接了一匝，电感量会降低，因
此振荡电路的振荡频率的最小值会升高，此时该振荡频率的最小值将作为回路端子短接的判据。
（3） 通过读取回路中工频电流幅值，判断当二次回路电流接近0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，还是开路状态。
2 回路状态识别模块设计
对于工业大用户，为了保证其用电容量和供电质量，均采用专变供电；为了进行数据采集，现场均会配备安装专变采集终端，终端中三相微型电流互感器的安装位置相对较大，可用于回路状态识别模块的安装。为此将上述方案中的两个检测铁芯和采集终端用的微型电流互感器集成安装于一个模块中，作为一个电流回路状态的检测传感器。图4给出了传感器布置的示意图。CT1为检测用电感，CT2为注入线圈，CT3为工频电流检测用的微型电流互感器。
将前文提到的检测方案，进行抽象，梳理为测试程序，其检测流程如图5所示。
图6 给出了模块外观图，模块需要现场终端设备提供±5 V通电电源，通过RS 485进行通信。
3 专变采集终端应用
回路状态检测模块安装于电力负荷管理终端内部，取代原电源板上的CT，如图7、图8所示。模块需要终端提供±5 V，约1 W直流电源，与终端间采用RS 485通信。
3.1 终端现场挂网试运行
在湖北某市对安装了回路状态检测模块的采集终端进行了现场挂网试运行，分别选取了机械厂、酒店和小区用户进行了安装。图9为具有防窃电功能的负荷终端用于演示的界面。
现场试运行的设备，为了更加直观地查看回路状态监测的结果，在专变的屏幕上设计了新的提示信息。对于原有的状态指示灯进行了新的闪烁规则设计，并未提示异常状态。
现场试运行表明，模块在不同负荷下均具有较好的稳定性，没有出现误报，同时在一个月后在现场进行了故障的模拟，对回路进行了短接模拟，终端可及时准确的将回路状态数据上报。图10为负控终端现场挂网照片。
4 结 语
结合现场需求，开发了可用于电流互感器二次回路状态检测的功能模块，并将模块应用于专变采集终端，总结如下：提出了基于阻抗特征的多重判据识别方法，实现对电流互感器二次回路状态的准确识别；根据外部扩展设备的需求，开发了回路状态监测模块，并将其集成于专变采集终端；挂网运行结果显示，扩展后的专变终端现场运行可靠，无误报。现场采集类设备数量大，扩展后的专变除了具备采集功能外，还可用于电能表所在二次回路状态的监测，同时利用采集终端的交采功能，可实现与电能表的电能比对，可广泛用于对故障检修、违规用电和窃电行为的在线监测。
参考文献
[1] 郭小斌.防止电力大客户窃电的技术方案研究[D].北京：华北电力大学，2015.
[2] 黄晓旭.电力负荷管理系统在防窃电中的应用[J].电源技术应用，2014，53（1）：21?26.
[3] 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.
[4] 程超，张汉敬，景志敏，等.基于离群点算法和用电信息采集系统的反窃电研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（17）：69?74.
[5] 苏慧玲，刘建，龚丹，等.大规模电能计量器具智能检定的优化调度策略探讨[J].电力系统保护与控制，2015，43（11）：75?79.
[6] 许玉香，刘小刚，马彦琴.电子式互感器对高精度采样装置的影响及对策分析[J].电网与清洁能源，2014，30（10）：84?87.
[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] 秦珣，陈丽安.基于改进导纳法的小电流接地系统接地故障选线方法[J].电力科学与技术学报，2016，31（1）：96?102.
[9] 曲妍，王春光，梅姚，等.继电保护设备及二次回路状态检修系统构建[J].现代电子技术，2013，36（14）：152?155.
摘 要： 为了实现对计量用电流互感器二次回路状态的准确识别，理论分析了在不同状态下的回路等效电路图，提出基于阻抗特征的电流互感器回路状态监测方法，实现了对不同负荷电流下正常连接、开路和短路状态的准确识别，基于此开发了CT二次回路监测模块，并将其成功扩展应用于专变采集终端中，扩展后的专变终端在现场进行了挂网试运行，结果表明，终端运行稳定，数据上传及时、可靠，可为现场计量设备检修、用电检查提供有力的技术支撑。
关键词： 二次回路； 状态识别； 功能扩展； 专变采集终端
中图分类号： TN911?34； TM41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0143?04
Research on recognition method and module for CT secondary circuit state
JIANG Chunyang1， LIU Junjie1， ZHOU Feng1， YIN Xiaodong1， LIU Kun2， ZHOU Yifei2
（1. China Electric Power Research Institute， Wuhan 430074， China； 2. Metrology Center， State Grid Sichuan Electric Power Company， Chengdu 610041， China）
Abstract：In order to identify the secondary circuit state of current transformer used for metrology accurately， the theoretical analysis of circuit equivalent circuit diagram under different conditions is carried out， and a new secondary circuit state monitoring method based on the impedance characteristics is proposed. With the method， the accurate identification of the normal connection， open circuit and short circuit states under different loads was realized， and a CT secondary circuit monitoring module was developed. It has been applied to specific change acquisition terminal， whose pilot run was performed on the spot. The results of pilot run indicates that the terminal operates reliably， the data upload is timely and reliable， and it can provide powerful technical support for equipment maintenance and electricity inspection.
Keywords： secondary circuit； state recognition； function extension； specific change acquisition terminal
0 引 言
電能计量由三个主要部分组成：互感器、二次回路和电能表，相对于互感器而言，二次回路和电能表是防护比较薄弱，容易被违规用电者改动的部分。随着近些年智能电能表和采集系统的推广，电能表已经能够实现对电能表开盖、停电、强磁干扰、参数修改等诸多事件的记录，同时ESAM加密芯片的使用，使通过软件进行篡改参数的情况也被杜绝。而二次回路却由于技术手段缺乏，一直处于无监管的状态。在针对二次回路中电流回路的欠流法窃电是最常用的手段，欠流法指窃电者采用各种方法故意改变计量电流回路的正常接线，或故意造成计量电流回路故障，使电能表的电流线圈无电流通过或只通过部分电流，从而导致电量少计。而针对电流回路的改动，仅从电流幅值的变化时无法反应二次回路的状态[1?7]，如三相不平衡和失流事件，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。因此亟需一种技术及装置实现对电流二次回路状态的实时监测，并融合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，为计量装置在线监测、用电稽查和检修提供数据支撑，提供工作效率，减小现场运维人员工作量，提高客户服务质量。
1 CT二次回路状态检测技术方案
只要对进入电能表电流回路的任何地方实施了短路或开路，都将造成流入电能表的电流减少，使得电能表计量的电量比实际电量减少。常见的窃电手段有：
（1） 对CT二次端子进行短路；
（2） 对电能表电流线圈接线端子进行短接；
（3） 开路CT二次侧（高压计量方式下，此种窃电方式很少）；
（4） 虚接或断开电能表电流线圈接线。
图1给出了电流互感器折算到二次等效回路。其中：CT二次阻抗监测单元串联接入CT二次回路；CT二次阻抗监测单元检测的阻抗主要包括CT二次阻抗、二次回路等效阻抗以及电能表输入端等效阻抗。
图1中：Z2为电流互感器二次内阻抗；ZS为二次回路导线阻抗；ZL为电能表输入阻抗；为一次绕组内阻抗折算到二次侧的值；Zm为励磁阻抗。
正常工作条件下，1，2端口的等效阻抗为：
（1）
式中，Zm与电流互感器一次电流有关系，但由于较小，所以Zm随一次电流的变化并不会给测量ZE带来影响。
在电能表针对上述四种常见分流窃电情况下，其等效电路如图2所示，其中Z0为短接线等效阻抗。
图2 不同窃电状态下的电流互感器及二次等效电路图
当出现如图2（a）所示的短接CT二次端子时，二次等效阻抗为：
（2）
如图2（b）所示的电能表电流接线端子进行短接时，二次等效阻抗为：
（3）
如图2（c）所示的断开电能表电流端子接线?开路时，二次等效阻抗为：
（4）
如图2（d）所示的开路CT二次侧时，二次等效阻抗为：
（5）
从等效电路分析，在不同回路状态下回路阻抗均有不同的变化趋势，所以如果能够在二次回路中设置某种电路，可以根据回路阻抗特征的变化，提取一定的特征量，在结合二次电流的数据，实现对回路状态的判断。
图3给出了回路状态检测的方案，在进行回路状态检测时，检测单元需要串接于电流互感器二次回路中，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和回路正常连接、短路、开路的状态信息。
具体工作原理是：
（1） 振荡电路由电感L、两只电容C和正反馈网络电路构成，电路的振荡频率与L和C值有关。其中电感L的电感量与工频电流的幅值有关系，当工频电流幅值升高时，由于铁芯材料进入饱和状态，电感量会降低，振荡电路的振荡频率会随着电流幅值的增加而增加；因此振蕩电路的振荡频率会随着电流的变化呈现周期性的增加和减小，在电流过零点处，电感量最大，振荡频率最小。
（2） 中提到，振荡电路的振荡频率与L值有关系，当图3中的电流互感器二次端子被短接时，电感L就被1根导线短接了一匝，电感量会降低，因
此振荡电路的振荡频率的最小值会升高，此时该振荡频率的最小值将作为回路端子短接的判据。
（3） 通过读取回路中工频电流幅值，判断当二次回路电流接近0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，还是开路状态。
2 回路状态识别模块设计
对于工业大用户，为了保证其用电容量和供电质量，均采用专变供电；为了进行数据采集，现场均会配备安装专变采集终端，终端中三相微型电流互感器的安装位置相对较大，可用于回路状态识别模块的安装。为此将上述方案中的两个检测铁芯和采集终端用的微型电流互感器集成安装于一个模块中，作为一个电流回路状态的检测传感器。图4给出了传感器布置的示意图。CT1为检测用电感，CT2为注入线圈，CT3为工频电流检测用的微型电流互感器。
将前文提到的检测方案，进行抽象，梳理为测试程序，其检测流程如图5所示。
图6 给出了模块外观图，模块需要现场终端设备提供±5 V通电电源，通过RS 485进行通信。
3 专变采集终端应用
回路状态检测模块安装于电力负荷管理终端内部，取代原电源板上的CT，如图7、图8所示。模块需要终端提供±5 V，约1 W直流电源，与终端间采用RS 485通信。
3.1 终端现场挂网试运行
在湖北某市对安装了回路状态检测模块的采集终端进行了现场挂网试运行，分别选取了机械厂、酒店和小区用户进行了安装。图9为具有防窃电功能的负荷终端用于演示的界面。
现场试运行的设备，为了更加直观地查看回路状态监测的结果，在专变的屏幕上设计了新的提示信息。对于原有的状态指示灯进行了新的闪烁规则设计，并未提示异常状态。
现场试运行表明，模块在不同负荷下均具有较好的稳定性，没有出现误报，同时在一个月后在现场进行了故障的模拟，对回路进行了短接模拟，终端可及时准确的将回路状态数据上报。图10为负控终端现场挂网照片。
4 结 语
结合现场需求，开发了可用于电流互感器二次回路状态检测的功能模块，并将模块应用于专变采集终端，总结如下：提出了基于阻抗特征的多重判据识别方法，实现对电流互感器二次回路状态的准确识别；根据外部扩展设备的需求，开发了回路状态监测模块，并将其集成于专变采集终端；挂网运行结果显示，扩展后的专变终端现场运行可靠，无误报。现场采集类设备数量大，扩展后的专变除了具备采集功能外，还可用于电能表所在二次回路状态的监测，同时利用采集终端的交采功能，可实现与电能表的电能比对，可广泛用于对故障检修、违规用电和窃电行为的在线监测。
参考文献
[1] 郭小斌.防止电力大客户窃电的技术方案研究[D].北京：华北电力大学，2015.
[2] 黄晓旭.电力负荷管理系统在防窃电中的应用[J].电源技术应用，2014，53（1）：21?26.
[3] 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.
[4] 程超，张汉敬，景志敏，等.基于离群点算法和用电信息采集系统的反窃电研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（17）：69?74.
[5] 苏慧玲，刘建，龚丹，等.大规模电能计量器具智能检定的优化调度策略探讨[J].电力系统保护与控制，2015，43（11）：75?79.
[6] 许玉香，刘小刚，马彦琴.电子式互感器对高精度采样装置的影响及对策分析[J].电网与清洁能源，2014，30（10）：84?87.
[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] 秦珣，陈丽安.基于改进导纳法的小电流接地系统接地故障选线方法[J].电力科学与技术学报，2016，31（1）：96?102.
[9] 曲妍，王春光，梅姚，等.继电保护设备及二次回路状态检修系统构建[J].现代电子技术，2013，36（14）：152?155.
