侯戰(zhàn)斌， 郭 飛， 聞志國， 李 巖， 李勝芳

(北京智芯微電子科技有限公司， 北京 100192)

隨著我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，電量需求的不斷增長，供電企業(yè)由于竊電造成電量的流失逐漸加重，使國家利益受損。傳統(tǒng)專用變壓器電力用戶計量回路主要由電流互感器、電能表和采集終端組成，電力巡檢人員會不定期對計量電流互感器安裝現(xiàn)場巡檢，通過目測對電流互感器的外觀、外部的接線以及計量用的電能表進(jìn)行檢查已達(dá)到防竊電的目的，但這種巡檢方式浪費大量人力資源且存在實時性、準(zhǔn)確性、可靠性等缺陷。為此本文基于電工原理、回路阻抗監(jiān)測、電能計量和計量回路中電流的基波、諧波分析等理論研究一種電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置，用來實現(xiàn)對電流互感器的接入狀態(tài)(包括：回路正常、回路開路、回路短路、回路整流等狀態(tài))的準(zhǔn)確識別，并將識別后的狀態(tài)按照規(guī)定的通信協(xié)議及時將信息上傳至國家電網(wǎng)營銷主站，對非正規(guī)用電及時報警。

1 監(jiān)測裝置整體概述

1.1 項目背景

國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域覆蓋全國26個省(自治區(qū)、直轄市)，占國土面積的88%，供電人口超過11億人。電力客戶較為多元化，部分客戶在利益驅(qū)使下，利用各種手段破壞或干擾電力計量設(shè)備,進(jìn)行竊電。據(jù)新華網(wǎng)報道每年全國因竊電損失電費兩百多億元，此外因竊電導(dǎo)致事故所造成的間接損失則更為巨大。從全國各地查獲的竊電作案手段來看，竊電作案手段正向隱蔽化、高科技化等方向發(fā)展，除了普通型竊電手法：采取私拉亂接、無表用電等手段竊電以及私自開啟電能表計量封印等竊電方法外，出現(xiàn)了諸多技術(shù)含量較高的新型竊電手段，如加裝遙控裝置短接current transforme (簡稱CT)二次回路，改變CT變比，更換互感器，改變銘牌等；更有不法企業(yè)購置大功率整流逆變裝置，利用線路中的直流分量使電流互感器誤差增大，甚至飽和，從而達(dá)到其竊電的目的。這些竊電手段較為隱蔽，缺少必要的監(jiān)測裝置，往往無法取證，稽查困難。

面對如此嚴(yán)重的竊電行為，北京智芯微電子科技有限公司研發(fā)一款電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，在此工作基礎(chǔ)上提出基于用電信息采集系統(tǒng)的差異化防竊電技術(shù)與策略研究，同時建立多功能防竊電模擬平臺，檢驗各個防竊電裝置及方案的可行性，構(gòu)建一套智能、可靠、有效的防竊電體系，為防竊電工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)與組成

電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置內(nèi)嵌于回路狀態(tài)巡檢儀中，巡檢儀串接在電流互感器二次側(cè)計量回路中，該監(jiān)測裝置對電流互感器二次側(cè)的接線狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)偵測到電流互感器異常接入時會通過回路狀態(tài)巡檢儀主動上報到國網(wǎng)營銷系統(tǒng)主站，電力巡檢人員會根據(jù)回路狀態(tài)巡檢儀的安裝位置到現(xiàn)場做深入排查，從而達(dá)到規(guī)范用電的效果。下圖1展示的是監(jiān)測裝置運行系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 監(jiān)測裝置運行系統(tǒng)架構(gòu)圖

下圖2展示的是電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置實物照片。

圖2 監(jiān)測裝置模塊實物

2 監(jiān)測裝置硬件設(shè)計實現(xiàn)

電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計實現(xiàn)主要由三部分組成：專用的三磁芯CT、信號注入及耦合信號采集電路和高精度的交流采樣電路。

2.1 專用的三磁芯CT設(shè)計

傳統(tǒng)雙磁芯的方案從在很多弊端[1]，難以全面、有效覆蓋所有變比電流互感器的竊電模型。比如大變比的電流互感器二次回路開路故障是三相動力電能計量回路中常見的一種故障，雙磁芯方案由于高阻抗測量靈敏度低的局限性根本無法監(jiān)測出這種故障。另外電流互感器的故障模型還會因為系統(tǒng)高供高計和高供低計變得更加復(fù)雜，雙磁芯方案再實際應(yīng)用中有很大的局限性。

本裝置創(chuàng)新的使用三磁芯CT的設(shè)計如下圖3所示，除交采環(huán)外增加一個信號注入環(huán)和和一個信號采集環(huán)兩個獨立磁芯，并采用異頻注入技術(shù)[2]，將高頻電信號直接注入到計量電流互感器二次回路中，通過返回電信號的特征來識別二次回路的接線狀態(tài)。一注一采雙磁芯對回路特征提取更直接，回路阻抗識別精度更高。

圖3 專用CT實物及其功能示意圖

2.2 信號注入及耦合信號采集電路設(shè)計

電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的設(shè)計核心是對整個二次側(cè)計量回路的阻抗特性進(jìn)行準(zhǔn)確識別，該部分功能通過信號注入及耦合信號采集電路來實現(xiàn)如下圖4所示。

圖4 信號注入及耦合示意圖

下面以ABC三相電流計量回路中的一相對該部分電路詳細(xì)說明，監(jiān)測裝置的主控選用帶浮點運算的ARMCortexTM-M4處理器，處理器產(chǎn)生從5KHZ和10KHZ兩種頻率的PWM方波信號，該方波通過隔離整形緩沖電路形成正玄波[3]，然后通過控制雙刀四擲的模擬開關(guān)順序分時選通ABC三相中的某一相的功率輸出驅(qū)動電路[4]，將調(diào)制后的高頻信號注入CT的注入環(huán)繞組，CT信號采集環(huán)繞組耦合過來的信號經(jīng)過接收緩沖器和回波調(diào)理電路接入處理器的ADC接口，處理器采集ADC數(shù)據(jù)并做運算處理，并將數(shù)據(jù)存儲在回路阻抗特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中作為后續(xù)狀態(tài)監(jiān)測判斷的依據(jù)。

由于實際應(yīng)用中計量電流互感器的變比多樣、電力用戶的用電負(fù)荷千差萬別，CT信號采集環(huán)繞組耦合過來的信號也大小不一，這就需要回波調(diào)理電路如下圖5所示，把信號放大調(diào)整到合適的電壓范圍，以便ADC的精確采樣。本項目通過改變74HC4053模擬開關(guān)的選通狀態(tài)實現(xiàn)對信號放大電路增益的調(diào)節(jié)[5]。

圖5 回波調(diào)理電路

回路阻抗特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)容為18個字節(jié)(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示)，分為8類數(shù)據(jù)：無駐波低增益、無駐波高增益、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數(shù)據(jù)值，以及磁場干擾檢測數(shù)據(jù)和模塊溫度數(shù)據(jù)(磁芯的自感量和溫度相關(guān)，采集模塊的溫度值對整個回路的阻抗值進(jìn)行補(bǔ)償[6])。

圖6 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

2.3 高精度的交流采樣電路

交采部分電路如下圖7所示，電流互感器二次側(cè)電流經(jīng)過1∶1 000的CT交采環(huán)耦合進(jìn)入模塊的計量電路，該電流信號通過1階RC低通濾波器和抗混疊濾波器濾除高頻信號后接入ATT7053AU計量芯片[7]。該計量芯片采集的數(shù)據(jù)通過SPI接口將數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主處理器。EEPROM在本項目中主要用于存儲交流采樣的調(diào)校數(shù)據(jù)和CT自身回路阻抗出廠校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

圖7 交流采樣示意圖

3 監(jiān)測裝置軟件設(shè)計實現(xiàn)

電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計實現(xiàn)主要由四部分組成：裝置生產(chǎn)調(diào)校部分、信號采集數(shù)據(jù)處理部分、電流互感器接入狀態(tài)判斷部分和通信規(guī)約部分。

3.1 生產(chǎn)調(diào)校設(shè)計實現(xiàn)

本裝置是通過二次側(cè)回路的阻抗特性和電流的諧波分析來實現(xiàn)對電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測識別的裝置，為排除專用CT、阻容元器件和線路板本身的差異，出廠前需對裝置進(jìn)行大小電流和專用CT自身阻抗的校準(zhǔn)[8]，類似的調(diào)校流程和軟件的實現(xiàn)方法網(wǎng)上有很多例程，在此不做贅述。

3.2 信號采集數(shù)據(jù)處理設(shè)計實現(xiàn)

工頻電流是本裝置需要采集的重要參數(shù)，實際應(yīng)用中由于電網(wǎng)負(fù)荷比較復(fù)雜，電源的頻率并不是標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz,而是存在一定的偏差(圖8展示了實際電源頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率的差別)，為了實現(xiàn)對工頻電流的高精度計量，首先要實現(xiàn)對電網(wǎng)實際頻率的準(zhǔn)確計算。

圖8 頻率偏差示意圖

頻率計算的流程如下圖9所示：主控制器運用準(zhǔn)同步算法對采集的第一個周期信號進(jìn)行DFT運算處理，計算得出x、y分量，運用反正切函數(shù)求出第1個周波相對基準(zhǔn)信號的弧度數(shù)φ1，同樣的方法計算出第2個周波相對基準(zhǔn)信號的弧度數(shù)φ2，然后計算出相鄰兩個周波的弧度差和實際頻率與基準(zhǔn)頻率的頻偏[9]，進(jìn)而得出實際的工頻頻率。

圖9 頻率計算流程圖

計算出工頻電流實際頻率后，再根據(jù)頻率將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理[10]，后經(jīng)傅里葉變換后計算出電流的基波、二次諧波及電流有效值等電力參數(shù)。

3.3 電流互感器接入狀態(tài)判斷設(shè)計實現(xiàn)

計量用電流互感器常見的異常接入狀態(tài)主要有：互感器二次側(cè)開路、二次側(cè)短路分流、二次側(cè)整流和強(qiáng)磁干擾等，本裝置對以上接入狀態(tài)的判斷流程如圖10所示。

圖10 回路狀態(tài)判斷軟件流程圖

首先處理器會判斷電流互感器的二次側(cè)計量回路是否有電流，當(dāng)無電流時，繼續(xù)判斷二次回路的阻抗是否大于開路的阻抗閾值(回路接入狀態(tài)開路時二次回路的阻抗會無窮大)，如果大于開路阻抗閾值則判定互感器二次側(cè)開路；否則繼續(xù)判斷回路接入狀態(tài)是否為短路 (回路接入狀態(tài)短路時注入波的耦合信號與二次側(cè)不接電流互感器直接短路時注入波耦合信號的標(biāo)定值做差處理，如果差值的絕對值小于短路閾值則判定為短路)，如果回路接入狀態(tài)也不是短路則判定接入狀態(tài)為正常接入。

當(dāng)電流互感器的二次側(cè)計量回路有電流時，首先判斷二次諧波與電流基波的占比是否超過10%，如超過10%則判定狀態(tài)為互感器二次側(cè)被整流(正常情況下，電網(wǎng)中幾乎沒有二次諧波，當(dāng)電流互感器二次側(cè)串接二極管整流后，電流信號會引入二次諧波，且二次諧波相對電流基波的占比較大[11])。如果回路接入狀態(tài)不是回路整流則繼續(xù)判斷回路接入狀態(tài)是否為短路(使用無注入波時高低兩種增益采集到的耦合信號的差值與短路閾值做比較，當(dāng)電流互感器二次側(cè)短路時，沒有注入波的情況下高低兩種增益采集到的耦合信號相差不大)，如果回路接入狀態(tài)也不是短路時則判定接入狀態(tài)為正常接入。

強(qiáng)磁干擾的狀態(tài)判斷則是使用霍爾傳感器來實現(xiàn)的，當(dāng)裝置附近有強(qiáng)磁場環(huán)境時該傳感器的狀態(tài)腳會置高，主控通過對IO引腳輸入電平的高低來判斷計量電流互感器有沒有被強(qiáng)磁干擾。

4 監(jiān)測裝置現(xiàn)場應(yīng)用情況

電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置內(nèi)嵌于回路狀態(tài)巡檢儀中，將回路狀態(tài)巡檢儀掛裝到檢測臺體，該臺體可以通過軟件控制模擬電流互感器常見的幾種竊電方式，測試主站定時召測線監(jiān)測裝置識別的電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)并與主站設(shè)置的狀態(tài)做對比，以此驗證該裝置的狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。巡檢儀在中國電力科學(xué)研究院進(jìn)行全性能及全功能等30余項檢測，全部合格。電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置產(chǎn)品代替了以往人工巡檢的工作，解放了大量的人力資源，同時排除了人力巡檢徇私舞弊的情況，減少了國有資產(chǎn)流失。掛網(wǎng)運行一年多時間內(nèi)查獲違規(guī)竊電行為三十余起，有效的規(guī)范了企業(yè)的用電行為。

5 結(jié)論

本文研究了電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)實現(xiàn)判斷監(jiān)測的實現(xiàn)方法，并設(shè)計生產(chǎn)電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，研究結(jié)論如下：

1)該裝置能快速準(zhǔn)確判斷電流互感器二次側(cè)接入狀態(tài)，當(dāng)互感器異常接入時能夠通過巡檢儀主動上報事件至后臺主站；

2)該裝置能夠規(guī)范企業(yè)用電，并減少電力巡檢人員的工作量，由此提高電力公司的經(jīng)濟(jì)效益。