CN104849649B - 一种计量用电流互感器二次回路状态的检测方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及电流互感器的检测系统及方法，具体涉及一种计量用电流互感器二次回路状态的检测系统及方法。
背景技术
电能计量装置主要有电压互感器、电流互感器、二次回路和电能表组成。二次回路的状态中的开路、短路及串接元器件均对电能计量十分重要。在系统中，系统电压幅值相对比较稳定，因此可通过系统电压的监视实现对二次回路以及电压互感器状态的检测。而电流幅值的大小却随着负荷的大小变化而变化，因此不能通过幅值的检测实现对回路状态的检测。
目前已有一些方法通过检测过谐振频率的最小值确定回路状态，然而在实际使用中，该方法对于小变比的电流互感器；或者通过电磁耦合的方式分别向电流互感器二次回路注入和检测高频信号，通过采样电阻测量高频信号，并根据幅值的变化判断电流互感器二次回路状态；但在实际使用中，其均存在对于电流互感器的开路和正常工作状态几乎无法通过频率的变化进行区别的问题，尤其是大变比电流互感器。同时不适用于独立安装用于二次回路状态检测，且其存在状态误报的情况，应用效果不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种计量用电流互感器二次回路状态的检测系统及方法；该检测系统可独立安装于二次回路中，其构造简单且可靠，可实时检测被检测电流互感器二次回路状态的所需数据，该检测方法更可靠，可实现被检测电流互感器二次回路状态的实时检测，尤其是对正常工作和开路状态的识别，为二次回路状态分析提供了可靠的数据来源。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种计量用电流互感器二次回路状态的检测方法，所述计量用电流互感器的一次侧与工频电源相连，其二次侧与电能表连接并构成所述二次回路；所述方法包括如下步骤：
步骤1.测量所述二次回路上的检测点的实际电流值；
步骤2.比较所述实际电流值与所述电能表测得的测量电流值；
若所述测量电流值与所述实际电流值的绝对偏差值大于等于偏差标准值，则判断所述检测点到所述电能表之间的所述二次回路短路，检测结束；
若所述绝对偏差值小于所述偏差标准值，且所述实际电流值不为0，则进入步骤3；
若所述绝对偏差值小于所述偏差标准值，且所述实际电流值为0，则进入步骤5；
步骤3.测量所述二次回路的振荡频率值；
步骤4.比较所述振荡频率值与所述二次回路的振荡频率标准值；
若所述振荡频率值未超过所述振荡频率标准值，则判断所述二次回路状态正常，检测结束；
若所述振荡频率值大于所述振荡频率标准值，则判断所述二次回路短路、所述计量用电流互感器的一次侧短路或所述计量用电流互感器磁饱和，检测结束；
步骤5.向所述二次回路中注入高频电压，并检测所述二次回路中的实际高频电压值；
步骤6.若所述实际高频电压值为0，则判断所述二次回路开路，检测结束；
若所述实际高频电压值大于所述二次回路的电压限值；则判断所述二次回路短路，检测结束；
若所述实际高频电压值大于0且未超过所述二次回路的电压限值；则判断所述二次回路状态正常，检测结束。
优选的，所述偏差标准值为所述测量电流值的5％；所述振荡频率标准值为所述二次回路的最小振荡频率常值的50％。
优选的，所述步骤1，包括：
1-1.将所述二次回路与第二电流互感器的一次侧串接，所述第二电流互感器位于所述二次回路上的所述检测点处；所述第二电流互感器的二次侧与采样电阻连接；
1-2.用所述第二电流互感器测量所述检测点的实际电流值。
优选的，所述步骤3，包括：
3-1.将所述二次回路与第一电流互感器的一次侧串接；
3-2.在所述第一电流互感器的二次侧分别连接电容组及辅助电路；所述电容组包括2个串联的电容器；
3-3.测量2个串联的电容器的电容值；
3-4.通过所述电容值及所述二次回路的实际电流值，计算所述二次回路的振荡频率值。
优选的，所述步骤5，包括：
5-1.将所述二次回路与电压互感器的一次侧串接；在所述电压互感器的二次侧并联高频信号发生器；
5-2.通过所述电压互感器向所述二次回路中注入高频电压；
5-3、检测所述第一电流互感器的二次侧与所述电容组串联的回路的电阻值；
5-4、根据所述电阻值、2个串联的电容器的电容值、所述电压互感器向所述二次回路中注入的高频电压的频率及所述第一电流互感器的高频电压值，计算所述电容组的两端的实际高频电压值。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种计量用电流互感器二次回路状态的检测系统及方法；检测系统包括串接在计量用电流互感器与电能表之间的高频电压信号产生单元、振荡与谐振检测单元和电流检测单元。检测方法通过测量并比较实际电流值与电能表测得的测量电流值，振荡频率值与振荡频率标准值，及向二次回路中注入高频电压并检测二次回路中的实际高频电压值，对二次回路状态的进行检测。本发明的检测系统可独立安装于二次回路中，其构造简单且可靠，可实时检测被检测电流互感器二次回路状态的所需数据；检测方法更可靠，可实现被检测电流互感器二次回路状态的实时检测，尤其是对正常工作和开路状态的识别；为二次回路状态分析提供了可靠的数据来源，进而保证了计量用电流互感器的运行的稳定性与可靠性。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、本发明所提供的技术方案，检测系统通过串接在计量用电流互感器与电能表之间的高频电压信号产生单元、振荡与谐振检测单元和电流检测单元的设置；使得该检测系统可独立安装于二次回路中，其构造简单且可靠，可实时检测被检测电流互感器二次回路状态的所需数据，为二次回路状态分析提供了可靠的数据来源，进而保证了计量用电流互感器的运行的稳定性与可靠性。
2、本发明所提供的技术方案中，检测方法通过测量并比较实际电流值与电能表测得的测量电流值，振荡频率值与振荡频率标准值，及向二次回路中注入高频电压并检测二次回路中的实际高频电压值，对二次回路状态的进行检测，使得该检测方法更可靠，可实现被检测电流互感器二次回路状态的实时检测，尤其是对正常工作和开路状态的识别，进而保证了计量用电流互感器的运行的稳定性与可靠性。
3、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的一种计量用电流互感器二次回路状态的检测方法的流程图；
图2是本发明的检测方法的步骤1的流程图；
图3是本发明的检测方法的步骤3的流程图；
图4是本发明的检测方法的步骤5的流程图；
图5是本发明的应用例的一种计量用电流互感器二次回路状态的检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种计量用电流互感器二次回路状态的检测系统，计量用电流互感器的一次侧与工频电源相连，计量用电流互感器的二次侧与电能表连接并构成二次回路；
系统包括串接在计量用电流互感器与电能表之间的高频电压信号产生单元、振荡与谐振检测单元和电流检测单元；
高频电压信号产生单元、振荡与谐振检测单元和电流检测单元均连接至单片机；
电能表通过通信单元连接至单片机；单片机包括USB接口、蜂鸣器、A/D转换器和数据处理器。
其中，高频电压信号产生单元包括运算放大器和电压互感器PT；
运算放大器与数据处理器连接，且与电压互感器PT的二次侧并联；
电压互感器PT的一次侧串接在计量用电流互感器与电能表之间的二次回路上。
振荡与谐振检测单元包括反相器、电容组和第一电流互感器CT1；
反相器分别与第一电流互感器的二次侧及数据处理器连接；
电容组与第一电流互感器CT1的二次侧连接；
第一电流互感器CT1的一次侧串接在计量用电流互感器与电能表之间的二次回路上；
电容组包括串联的2个电容C1、C2。
电流检测单元包括采样电阻R和第二电流互感器CT2；
采样电阻R分别与第二电流互感器CT2的二次侧及A/D转换器的采样端连接；
第二电流互感器CT2的一次侧串接在计量用电流互感器与电能表之间的二次回路上。
振荡与谐振检测单元和电流检测单元通过数字控制模拟电子开关连接；
数字控制模拟电子开关设置在采样电阻R与A/D转换器的采样端之间。
如图1所示，本发明提供一种计量用电流互感器二次回路状态的检测方法，计量用电流互感器的一次侧与工频电源相连，其二次侧与电能表连接并构成二次回路；方法包括如下步骤：
步骤1.测量二次回路上的检测点的实际电流值IS；
步骤2.比较实际电流值IS与电能表测得的测量电流值Im；
若测量电流值Im与实际电流值IS的绝对偏差值大于等于偏差标准值，则判断检测点到电能表之间的二次回路短路，检测结束；
若绝对偏差值小于偏差标准值，且实际电流值IS不为0，则进入步骤3；
若绝对偏差值小于偏差标准值，且实际电流值IS为0，则进入步骤5；
步骤3.测量二次回路的振荡频率值；
步骤4.比较振荡频率值与二次回路的振荡频率标准值；
若振荡频率值未超过振荡频率标准值，则判断二次回路状态正常，检测结束；
若振荡频率值大于振荡频率标准值，则判断二次回路短路、计量用电流互感器的一次侧短路或计量用电流互感器磁饱和，检测结束；
步骤5.向二次回路中注入高频电压，并检测二次回路中的实际高频电压值；
步骤6.若实际高频电压值为0，则判断二次回路开路，检测结束；
若实际高频电压值大于二次回路的电压限值；则判断二次回路短路，检测结束；
若实际高频电压值大于0且未超过二次回路的电压限值；则判断二次回路状态正常，检测结束。
其中，偏差标准值为测量电流值的5％；振荡频率标准值为二次回路的最小振荡频率常值的50％。
如图2所示，步骤1，包括：
1-1.将二次回路的与第二电流互感器CT2的一次侧串接，第二电流互感器 CT2位于二次回路上的检测点处；第二电流互感器CT2的二次侧与采样电阻R 连接；
1-2.用第二电流互感器CT2测量检测点的实际电流值IS。
如图3所示，步骤3，包括：
3-1将二次回路与第一电流互感器CT1的一次侧串接；
3-2.在第一电流互感器CT1的二次侧分别连接电容组及辅助电路；电容组包括2个串联的电容器，分别是C1、C2；
3-3.测量2个串联的电容器C1、C2的电容值；
3-4.通过电容值及第一电流互感器CT1的电感量L，计算二次回路的振荡频率值
如图4所示，步骤5，包括：
5-1.将二次回路与电压互感器PT的一次侧串接；在电压互感器PT的二次侧并联高频信号发生器；
5-2.通过电压互感器PT向二次回路中注入高频电压；
5-3、检测第一电流互感器CT1的二次侧与电容组串联的回路的电阻值；
5-4、根据电阻值、2个串联的电容器C1、C2的电容值、电压互感器PT向二次回路中注入的高频电压的频率及第一电流互感器CT1的高频电压值，即计算电容组的两端的实际高频电压值检测C1和C2两端高频电压信号Ur2，由于 L2和C1、C2已构成谐振频率为f的振荡电路，在C1和C2两端电压Ur2为CT1 耦合得到的高频信号Ur1的倍，其中R为CT1和电容C1，C2串联回路的电阻值。
本发明的第一应用例提供一种计量用电流互感器二次回路状态的检测方法，计量用电流互感器的一次侧与工频电源相连，其二次侧与电能表连接并构成二次回路；方法包括如下步骤：
第一步：测量二次回路上的检测点的实际电流值，包括：
(1)将二次回路的与第二电流互感器的一次侧串接，第二电流互感器位于二次回路上的检测点处；第二电流互感器的二次侧与采样电阻连接；
(2)用第二电流互感器测量检测点的实际电流值。
第二步：比较实际电流值与电能表测得的测量电流值；
若测量电流值与实际电流值的绝对偏差值大于等于偏差标准值，则判断检测点到电能表之间的二次回路短路，检测结束；
若绝对偏差值小于偏差标准值，且实际电流值不为0，则进入步骤3；
若绝对偏差值小于偏差标准值，且实际电流值为0，则进入步骤5；
第三步：测量二次回路的振荡频率值，包括：
(1)将二次回路与第一电流互感器的一次侧串接；
(2)在第一电流互感器的二次侧分别连接电容组及辅助电路；电容组包括 2个串联的电容器；
(3)测量2个串联的电容器的电容值；
(4)通过电容值及二次回路的实际电流值，计算二次回路的振荡频率值。
第四步：比较振荡频率值与二次回路的振荡频率标准值；
若振荡频率值未超过振荡频率标准值，则判断二次回路状态正常，检测结束；
若振荡频率值大于振荡频率标准值，则判断二次回路短路、计量用电流互感器的一次侧短路或计量用电流互感器磁饱和，检测结束；
第五步：向二次回路中注入高频电压，并检测二次回路中的实际高频电压值，包括：
(1)将二次回路与电压互感器的一次侧串接；在电压互感器的二次侧并联高频信号发生器；
(2)通过电压互感器向二次回路中注入高频电压；
(3)检测第一电流互感器的二次侧与电容组串联的回路的电阻值；
(4)根据电阻值、2个串联的电容器的电容值、电压互感器向二次回路中注入的高频电压的频率及第一电流互感器的高频电压值，计算电容组的两端的实际高频电压值。
第六步：若实际高频电压值为0，则判断二次回路开路，检测结束；
若实际高频电压值大于二次回路的电压限值；则判断二次回路短路，检测结束；
若实际高频电压值大于0且未超过二次回路的电压限值；则判断二次回路状态正常，检测结束。
其中，偏差标准值为测量电流值的5％；振荡频率标准值为二次回路的最小振荡频率常值的50％。
如图5所示，本发明的第二应用例提供一种计量用电流互感器二次回路状态的检测系统，计量用电流互感器的一次侧与工频电源相连，计量用电流互感器的二次侧与电能表连接并构成二次回路；
系统包括串接在计量用电流互感器与电能表之间的高频电压信号产生单元、振荡与谐振检测单元和电流检测单元；
高频电压信号产生单元、振荡与谐振检测单元和电流检测单元均连接至 RAM单片机STM32F407；
电能表通过RS485通信单元连接至RAM单片机STM32F407；RAM单片机 STM32F407还连接有USB接口和蜂鸣器。
RAM单片机STM32F407包括USB接口、蜂鸣器、A/D转换器和数据处理器。
高频电压信号产生单元包括运算放大器OPA227和电压互感器PT；
运算放大器OPA227ARM单片机STM32F407连接，由ARM单片机STM32F407 产生三角波信号，由OPA227驱动电压互感器一次绕组，且与6:1的电压互感器 PT的二次侧并联，电压互感器PT用于对二次回路注入电压；
电压互感器PT的一次侧串接在计量用电流互感器与电能表之间的二次回路上；
STM32F407ARM单片机与OPA227连接，由STM32F407合成20kHz的三角波，由OPA227驱动注入信号用的电压互感器PT，向CT回路注入频率为20kHz的近似正弦波形，幅值为0.4V。
振荡与谐振检测单元包括反相器，反相器的芯片型号为74CH14、电容组和第一电流互感器CT1；
反相器分别与电感量为8.4mH的第一电流互感器CT1的二次侧及数据处理器连接；
电容组与第一电流互感器CT1的二次侧连接，构成针对注入电压信号频率的LC谐振电路，并于正反馈运放OPA227构成振荡电路；
第一电流互感器CT1的一次侧串接在计量用电流互感器与电能表之间的二次回路上；
在二次回路中有工频电流时，电流互感器CT1的与后级电容构成的谐振频率为20kHz的检测电路将检测得到20kHz的信号通过模拟信号线连接至STM32F407 的AD采样端，由STM32F407进行数据处理；
由STM32F407完成在二次回路中没有工频电流情况下，电流互感器CT1的与后级电容，正反馈运放OPA227构成的振荡电路的振荡频率的检测。
电容组包括串联的2个电容。
电流检测单元包括采样电阻和匝数为1000的第一电流互感器CT2，电流互感器CT2用于检测二次回路上工频电流；
采样电阻分别与第二电流互感器CT2的二次侧及A/D转换器的采样端连接；
第二电流互感器CT2的一次侧串接在计量用电流互感器与电能表之间的二次回路上；
电流互感器CT2与采样电阻构成的工频电流采样电阻的两端与STM32F407 的AD采样端通过模拟信号线连接，AD采样端通过CD4501复用开关切换控制采集信号的来源。
振荡与谐振检测单元和电流检测单元通过数字控制模拟电子开关CD4051 连接；
数字控制模拟电子开关CD4051设置在采样电阻与A/D转换器的采样端之间。
RS485通信单元包括智能仪表和传输电缆，RS485通信单元采用MAX485通信模块实现；STM32F407通过MAX485完成与电能表间电能，电流等数据的读取。
RAM单片机STM32F407上连接有显示屏与键盘；键盘通过IO接口线与 RAM单片机STM32F407连接，键盘用于用户的输入信息；480*320LCD液晶显示屏通过FSMC总线与RAM单片机STM32F407连接，用于显示检测装置获取的二次回路状态的信息，包括：二次回路状态，状态类型，可以位置等；
ARM单片机STM32F407可以通过RS485与采集终端接口连接，采集终端将检测得到的数据上传至上级服务器，同时检测装置自身也将在屏幕上显示状态信息，并根据相应的状态信息由单片机STM32F407控制蜂鸣器产生报警信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
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