姜春陽, 劉俊杰，周 峰，殷小東，王斌武，劉 鹍，周一飛

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 計(jì)量中心，四川 成都 610041)

基于異頻法的分流竊電監(jiān)測(cè)方法和裝置

姜春陽1, 劉俊杰1，周 峰1，殷小東1，王斌武1，劉 鹍2，周一飛2

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 計(jì)量中心，四川 成都 610041)

通過改動(dòng)電流互感器二次回路連接狀態(tài)進(jìn)行竊電的手法較為隱蔽，僅對(duì)電流幅值的監(jiān)測(cè)是難以發(fā)現(xiàn)的。為實(shí)現(xiàn)對(duì)CT二次回路短接旁路、開路竊電行為的在線監(jiān)測(cè)，文中提出了基于異頻法的CT二次回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，可完成對(duì)不同運(yùn)行工況下開路、短接旁路的準(zhǔn)確識(shí)別，基于此方法開發(fā)了CT二次回路監(jiān)測(cè)終端。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，終端可準(zhǔn)確識(shí)別二次回路典型故障狀態(tài)，可為用電檢查提供有力的技術(shù)支撐。

防竊電；二次回路；異頻法；監(jiān)測(cè)終端

線損一直以來都是電力公司重要的考核指標(biāo)之一，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是小規(guī)模、高耗能生產(chǎn)企業(yè)的增加，竊電已成為某些區(qū)域線損居高不下的主要原因。高壓電力用戶的用電計(jì)量回路通常是采用高壓電流互感器或電壓互感器從高壓供電回路上耦合出信號(hào)接入計(jì)量表計(jì)。由于負(fù)荷電流是隨著用戶的用電負(fù)荷不停變化而改變的，可以從零變至最大值，難以通過電流的變化情況來判斷被計(jì)量對(duì)象是否在竊電。因此，在眾多的竊電手法中，通過改變電流二次回路的分流竊電占竊電的比率最大。目前電能表針對(duì)電流回路的三相不平衡和失流事件，也是通過幅值的計(jì)算得到的，在一些波動(dòng)較大和三相負(fù)荷使用不合理的計(jì)量場(chǎng)合，就會(huì)上報(bào)該類事件，而二次回路并無異常。而對(duì)于三相電流回路均出現(xiàn)短路的情況，又不會(huì)上報(bào)該類事件。近些年來，針對(duì)分流竊電眾多學(xué)者和技術(shù)人員也提出了一些檢測(cè)方法，如在電流二次回路上設(shè)置節(jié)點(diǎn)，采用變頻諧振的原理，通過判斷諧振頻率的變化來判斷回路狀態(tài)，不過該方法適用性較差，對(duì)不同負(fù)荷、不同回路長(zhǎng)度均會(huì)引起誤報(bào)。還有文獻(xiàn)提出將電流互感器二次端電壓與電能表內(nèi)實(shí)際測(cè)量值做除法，計(jì)算虛擬阻抗。但簡(jiǎn)單分析后即可發(fā)現(xiàn)，該方法根本無法識(shí)別短線短接電流互感器二次輸出端子的竊電方法，而試圖通過電流閥值法來解決電流型竊電問題的方法也并不科學(xué)[1-6]。綜上，由于二次回路技術(shù)手段缺乏，一直處于無監(jiān)管的狀態(tài)。因此，亟需一種技術(shù)及裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電流二次回路分流竊電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并融入目前的用電信息采集系統(tǒng)中，即時(shí)主動(dòng)上報(bào)二次回路狀態(tài)信息，為用電稽查和檢修提供數(shù)據(jù)支撐，提高工作效率，減小由于竊電給電力公司所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

1 常見分流竊電分析

分流竊電的基本原理是通過短接、開路的方式減少流入電能表采樣端的電流幅值，常見的竊電手段有：(1)電流互感器二次端子短接；(2)電能表電流采樣端子短接；(3)電流互感器二次開路。

圖1 電流互感器折算到二次等效電路

若在等效電路圖中的1,2端口出，做電流互感器二次回路的二端口網(wǎng)絡(luò)等效阻抗ZE計(jì)算為

(1)

在進(jìn)行阻抗測(cè)量中，異頻法是較為常用的手段[7-8]。其基本原理是，在回路中施加高頻信號(hào)，并通過檢測(cè)高頻信號(hào)的幅值，計(jì)算回路的阻抗。然而在本研究中，電流二次回路是存在工頻電流信號(hào)的，因此若要在工頻信號(hào)中識(shí)別高頻信號(hào)，首先需要注入一定能力的信號(hào)，同時(shí)在技術(shù)上需要精密的檢測(cè)傳感器，才能對(duì)二次高頻弱信號(hào)準(zhǔn)確檢測(cè)，但從成本上、對(duì)計(jì)量可能帶來的影響上，均難以接受。因此，本研究提出了以異頻法為基礎(chǔ)，結(jié)合輔助判據(jù)的回路狀態(tài)識(shí)別方法，避免測(cè)試中工頻信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)分流竊電檢測(cè)。

圖2給出了原理示意圖，主傳感器部分由1個(gè)微型PT和1只電感構(gòu)成，輔助后端的電子電路部分，獲得在回路阻抗、二次電流變化時(shí)的特征量，并獲得回路正常連接、短路、開路狀態(tài)信息。

具體工作原理：

(1)由電感L、兩只電容C和正反饋網(wǎng)絡(luò)電路構(gòu)成的振蕩電路，設(shè)計(jì)上電容C為固定值，電感L則采用環(huán)形電感，電流二次線以穿心的方式穿過，電感線圈，由于電感兩端對(duì)于工頻信號(hào)而言接近于開路。因此，電感可輕易進(jìn)入飽和狀態(tài)，相應(yīng)的電感量也會(huì)降低，振蕩電路的振蕩頻率會(huì)增加。但在電流過零點(diǎn)附近，電感鐵芯尚未處于飽和狀態(tài)，故電感量最大，振蕩頻率最小，相對(duì)穩(wěn)定，可用于對(duì)回路狀態(tài)進(jìn)行判斷；

(2)當(dāng)圖3中示意的電流互感器二次端子被短接時(shí)，電感L則被一根導(dǎo)線短接了一匝，電感量會(huì)降低，此時(shí)振蕩電路的振蕩頻率最小值會(huì)升高，該振蕩頻率的最小值即可作為回路端子短接的判據(jù)；

(3)通過交流采樣，獲取二次回路工頻電流幅值，判斷當(dāng)二次回路電流為0 A時(shí)，將通過微型PT向回路中注入高頻電壓信號(hào)，并在L兩端通過信號(hào)放大和A/D采樣電路采集，用于判斷電流互感器的二次回路是處于正常連接無電流狀態(tài)，或是開路狀態(tài)。

圖2 二次回路狀態(tài)檢測(cè)方案

2 回路狀態(tài)檢測(cè)方案測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室將上述回路狀態(tài)檢測(cè)方案的硬件電路連接與電流互感器二次回路中，通過施加工頻電流驗(yàn)證不同狀態(tài)下的檢測(cè)效果。

2.1 低負(fù)荷電流下的回路狀態(tài)檢測(cè)

在電流互感器的連接狀態(tài)中，正常連接狀態(tài)有兩種情況，一為無電流或低負(fù)荷連接；另外一種為有工頻電流下的正常連接。當(dāng)自激振蕩電路工作時(shí)，圖3給出了0 A電流條件下，自激振蕩電路的波形，信號(hào)頻率一致穩(wěn)定，最大最小頻率均約為23 kHz。

硬件電路中增加了電能表使用的微型CT，用于測(cè)量工頻電流，在確認(rèn)回路無電流后，監(jiān)測(cè)電路啟動(dòng)注入信號(hào)，并通過L檢測(cè)高頻信號(hào)幅值。圖4給出了檢測(cè)到的高頻信號(hào)，按照設(shè)計(jì)，若能檢測(cè)到一定幅值的高頻信號(hào)，則判斷回路為0電流條件下的正常連接。

若檢測(cè)到的高頻信號(hào)極低，自激振蕩后檢測(cè)到的高頻信號(hào)接近0，則認(rèn)為回路為開路狀態(tài)。

若返回值極高，超過了A/D采樣的量程，則認(rèn)為回路存在短接情況。

圖3 0 A電流下自激振蕩電路方波波形

圖4 LC構(gòu)成的諧振電路檢測(cè)到的高頻信號(hào)波形

2.2 存在電流時(shí)的回路狀態(tài)判斷

回路中存在電流時(shí)，將引起諧振電感的變化，其電感量會(huì)隨著負(fù)荷電流的幅值而變化，相應(yīng)振蕩電路的頻率也隨之變化。不過在工頻電流過零點(diǎn)處，其電感量是相對(duì)穩(wěn)定的，因此可檢測(cè)正當(dāng)頻率的最小值，判斷回路狀態(tài)。若電流端子被短接，如圖6所示，其最小頻率變大，已接近41 kHz。因此，在有電流的情況下，通過最小頻率的測(cè)量便可判斷回路是否存在短接狀態(tài)。

圖5 有電流條件自激振蕩信號(hào)波形圖

圖6 有電流條件下CT端子被短接時(shí)自激振蕩信號(hào)波形圖

通過上述分析與測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，通過自激振蕩頻率和高頻信號(hào)的施加及檢測(cè)便可判斷出，無電流條件下的正常連接、短接和開路狀態(tài)，以及有電流情況下的正常連接和短接狀態(tài)。

3 CT二次回路監(jiān)測(cè)終端

將前文提到的回路狀態(tài)檢測(cè)功能單元作為一個(gè)固定的模塊，再配合外圍輔助電路，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)電流互感器二次回路狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)終端的功能框圖如圖7所示，外部電路配合實(shí)現(xiàn)裝置的通信、事件處理、電源管理等功能。

圖7 CT二次回路監(jiān)測(cè)終端硬件框圖

4 對(duì)電能計(jì)量影響的測(cè)試

在設(shè)計(jì)上，監(jiān)測(cè)終端將串接于電能表前端電流互感器的二次回路中，其電源供電可能并接于電壓互感器的二次。因此，其對(duì)于電能計(jì)量整體帶來的影響必須著重考慮，為此設(shè)計(jì)了如圖8所示測(cè)試線路圖。其中，T1和CT1為系統(tǒng)用10 kV電壓和電流互感器，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)和0.1s級(jí)；T2和CT2為標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流互感器，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01和0.01s級(jí)。被測(cè)三相電能表為0.1級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)電能表使用的是RD33，0.01級(jí)，施加額定電壓和電流后，測(cè)試三相電能表在安裝監(jiān)測(cè)裝置前后的計(jì)量誤差，計(jì)算監(jiān)測(cè)裝置對(duì)電能計(jì)量帶來的影響。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，從數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)入監(jiān)測(cè)裝置后電能表有功計(jì)量誤差增加<0.002%，該誤差主要是由于監(jiān)測(cè)裝置接入帶來的互感器負(fù)荷誤差，對(duì)于0.1級(jí)的電能表，該影響是完全可以忽略的。

表1 對(duì)電能計(jì)量影響測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 監(jiān)測(cè)裝置對(duì)電能計(jì)量影響測(cè)試線路圖

5 樣機(jī)試用

先后在湖北、江蘇和四川完成了13臺(tái)監(jiān)測(cè)終端的現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝對(duì)象分別選取了工業(yè)用戶、居民用戶、商業(yè)用戶，計(jì)量方式高供高計(jì)和高供低計(jì)各近50%。

圖9 監(jiān)測(cè)終端現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行顯示，監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行可靠，在不同負(fù)荷電流條件下，均無誤報(bào)情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)一起現(xiàn)場(chǎng)電流回路錯(cuò)接線事故。

6 結(jié)束語

為解決分流竊電難以監(jiān)測(cè)的技術(shù)問題，本文提出了基于異頻法的回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，并開發(fā)了相應(yīng)的樣機(jī)，總結(jié)如下：(1)基于異頻法和輔助判據(jù)制定的回路狀態(tài)檢測(cè)方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二次回路正常連接、開路和短路的準(zhǔn)確識(shí)別；(2)基于該監(jiān)測(cè)方案，開發(fā)了電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)終端，可實(shí)現(xiàn)回路狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線

監(jiān)測(cè)；(3)掛網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)終端現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠，無誤報(bào)。

監(jiān)測(cè)終端可對(duì)高耗能用電企業(yè)違規(guī)用電、計(jì)量回路故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效提高業(yè)務(wù)時(shí)效性、降低計(jì)量與用電檢查等專業(yè)部門人員的工作量，更能有效降低由此而造成的經(jīng)濟(jì)損失。終端性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)上傳及時(shí)、可靠，可為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)備檢修、用電檢查提供技術(shù)支撐。

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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

國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(JL71-15-044)

姜春陽(1985-)，男，碩士，工程師。研究方向：互感器測(cè)試技術(shù)等。劉俊杰(1986-)，男，碩士，工程師。研究方向：電測(cè)量技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.051

TM645.2

A

1007-7820(2017)03-185-04