CN106569078B - 一种电流互感器二次回路的状态检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的电流互感器二次回路的状态检测方法和系统，通过对二次回路注入正弦电压信号，以返回信号的幅值及相位的变化情况作为区分电流互感器二次回路状态的主要判据，并通过锁相放大技术，提升了大变比互感器二次回路注入高频信号后返回微小信号的检测能力，增加相位作为判据之一有效的解决了小变比互感器二次回路注入高频信号后返回信号仅通过幅值区别容易误判的问题，过零点注入并检测返回信号有效的解决了信号耦合互感器在电流互感器二次回路电流较大时磁饱和影响注入返回信号的问题，综合以上技术准确判断出二次回路的状态。
Description
技术领域
本发明涉及电流互感器检测领域，并且更具体地，涉及一种电流互感器二次回路的状态检测方法及系统。
背景技术
电力系统电能计量回路主要由互感器、二次回路和电能表构成，由于互感器与高压供电线路直接相连，对通过技术手段或暴力破坏互感器进行窃电的风险较高，从现场稽查、运维经验可知，这种窃电行为很少见。而常见的窃电方式主要是在二次回路和电能表所在的低压线路上动手脚，从而造成电能表计量电量小于实际用电的方法窃电。根据电能的计量表达式可知只要把电压、电流、功率因数中的任何一项减少都可以减少功率，从而减少电量。在实际情况中由于电压随着负荷的变化所产生的变化很小，因此，采用人为的方式减小电压容易被发现；而通过改变功率因数而减少电能又能通过功率因数的变化容易被发现；只有通过减小电流是个例外，因为电流是随着用户的用电负荷不停的变化而变化的可以从零变至最大值，因此很难通过电流的变化情况来判断被计量对象是否在窃电。然而在使用改变电流进行窃电的手法中，又以直接对电流互感器二次回路进行短接的分流窃电方法最难发现，且占窃电的比率最大。目前，随着智能电表的普及，针对电能表的窃电手段已可被电能表实时发现，并上报采集主站，而二次回路却由于缺少有效的检测方法和系统一直不能实现在线监测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种电流互感器二次回路的状态检测方法，包括：
步骤1，测量二次回路中是否存在工频电流，若存在工频电流则进入步骤2；若不存在工频电流进入步骤6；
步骤2，周期地采样并记录工频电流的幅值，绘制所述工频电流的波形；
步骤3，判断所述波形是否畸变，若所述波形畸变，则确定二次回路串接半导体，检测结束；若所述波形没有畸变，则进入步骤4；
步骤4，向二次回路中注入一个定频正弦电压信号，周期性地同步采样工频电流和返回信号，并通过锁相放大技术确定工频电流的幅值最接近于0时对应的返回信号的电流幅值和相位；
步骤5，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则判断相位偏移值是否在相位阈值内，若所述相位偏移在相位阈值内，则判断二次回路正常；否则判断所述二次回路短路或一次回路短路；
步骤6，向二次回路中注入一个定频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位；
步骤7，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则判断所述电流幅值是否大于幅值阈值的上限，若所述电流幅值大于幅值阈值的上限，则进入步骤8；若所述电流幅值小于幅值阈值的下限，则进入步骤10；
步骤8，向二次回路中注入一个变频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线；
步骤9，判断所述幅频曲线是否大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线是否为单调递增，若所述幅频曲线大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线不为单调递增，则判断二次回路短路或一次回路短路；否则，判断二次回路正常，检测结束；
步骤10，向二次回路中注入一个变频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线；以及
步骤11，判断所述幅频曲线是否小于幅值阈值的下限的曲线，若所述幅频曲线小于幅值阈值的下限的曲线，则判断二次回路开路；否则，判断二次回路正常，检测结束。
优选地，所述电流互感器的一次侧与工频电源相连，二次侧与电能表连接构成所述电流互感器的二次回路。
优选地，所述正弦电压信号的频率为二次回路中工频频率的至少20倍。
优选地，所述返回信号为二次回路注入的正弦电压信号所产生的。
优选地，所述采样的周期为10us。
优选地，通过锁相放大技术检测返回信号的电流幅值和相位时，所述采样的时间大于等于20ms。
根据本发明的另一方面，提供一种电流互感器二次回路的状态检测系统，包括：
工频电流采集单元，用于二次回路中工频电流的检测及采集；
电压信号注入单元，用于产生和注入正弦电压信号；
电流采集单元，用于采集二次回路中的返回信号；以及
FPGA采集板，进行工频电流的波形判断、返回信号的电流幅值和相位的判断、幅频曲线和相频曲线的绘制和判断以及二次回路状态的判断，其中还包括锁相放大器，用于检测采集到的返回信号的电流幅值和相位。
优选地，所述电压注入单元注入的正弦电压信号可以为定频的正弦电压信号也可以为变频的正弦电压信号。
优选地，所述正弦电压信号的频率为工频频率的至少20倍。
本发明通过对二次回路注入正弦电压信号，以返回信号的幅值及相位的变化情况作为区分电流互感器二次回路状态的主要判据，并通过锁相放大技术，提升了大变比互感器二次回路注入高频信号后返回微小信号的检测能力，同时相位差的变化直接反应了二次回路的阻抗特性的变化，有效的解决了小变比互感器二次回路注入高频信号后返回信号的电流幅值较小，仅通过幅值区别容易误判的问题，并通过阻抗特性与二次回路状态的对应，准确判断出二次回路的状态。且通过找出工频信号波形最接近0时对应的返回信号的幅值，解决了在二次回路有工频电流时出现磁饱和现象，以致无法根据注入正弦电压信号所产生的返回信号的电流幅值和相位来判断二次回路的状态的问题。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施例的电流互感器二次回路示意图；
图2为根据本发明优选实施例的二次回路状态检测方法的流程图；以及
图3为根据本发明优选实施例的二次回路状态检测系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施例的电流互感器二次回路示意图。所述电流互感器100由若干个开关、电流互感器以及半导体组成。所述电流互感器二次回路的一次回路侧与工频电流相连，二次回路侧与电能表连接构成所述二次回路。其中，二次回路的回路状态由各个开关的闭合状态控制。例如，开关K1闭合、K2闭合、K3断开、K4断开和K5断开时，所述二次回路为正常状态；开关K1闭合、K2断开、K3断开、K4断开和K5断开时，所述二次回路为开路状态；开关K1闭合、K2闭合、K3或K4中任意一个闭合以及K5断开时，所述二次回路为短路状态；开关K1断开、K2闭合、K3断开、K4断开和K5断开时，所述二次回路为串接半导体；以及，开关K1闭合、K2闭合、K3断开、K4断开和K5闭合时，所述一次回路为短路状态。当上述电流互感器二次回路被注入一个高频的正弦电压信号时，由于产生的返回信号幅值较小，仅通过现有的检测手段无法精确通过幅值的变化区分二次回路的状态，故而在检测时利用锁相放大技术，以检测微小的返回信号幅值和相位，并且更进一步地通过幅值和相位的变化判断二次回路状态。
图2为根据本发明优选实施例的二次回路状态检测方法的流程图。如图2所示，二次回路状态检测方法200从步骤201开始。在步骤201中，首先测量二次回路中是否存在工频电流，并根据结果的不同，继续进行不同的步骤。
当二次回路中存在工频电流时，执行步骤202。在步骤202中，周期地采样并记录工频电流的幅值，并绘制所述工频电流的波形，其中所述周期为10us。
在步骤203中，判断所述工频电流的波形是否畸变，由于波形畸变是由于经过非线性元件的电流与加在其上的电压不成正比导致的，故而当所述波形畸变时，则可判断二次回路中串接了半导体，检测结束；若所述波形没有畸变，则进行步骤204。
在步骤204中，向二次回路中注入一个定频的正弦电压信号，周期性地同步采样工频电流和返回信号，并通过锁相放大技术确定工频电流的幅值最接近于0时对应的返回信号的电流幅值和相位。通过同步对二次回路注入正弦电压信号所产生的返回信号和工频电流信号的采样，绘制返回信号波形和工频信号波形，找出工频信号波形最靠近0值处所对应的返回信号的幅值，解决了互感器在二次回路有电流时出现磁饱和现象时无法根据注入的正弦电压信号所产生的返回信号的幅值和相位来判断二次回路的状态的问题。
在步骤205中，判断所述返回信号的电流幅值是否在事先设定的幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常，检测结束；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则执行步骤206。
当所述电流幅值不在幅值阈值内时，执行步骤206，在步骤206中，判断相位偏移值是否在相位阈值内，若所述相位偏移在相位阈值内，则判断二次回路正常，检测结束；否则判断所述二次回路短路或一次回路短路，检测结束。应当了解的是，二次回路短路或一次回路短路时，回路中阻抗对所注入的正弦电压信号可能呈阻性、弱容性、弱感性，阻抗模值趋近于0，这时检测到的返回信号的电流幅值大，相位无偏移、或相位偏移小；当二次回路正常时，回路呈感性，阻抗处于合适值，所以检测到的返回信号的电流幅值处于合理范围内，相位偏移处于合理范围内。
当二次回路中不存在工频电流时，执行步骤207。在步骤207中，向二次回路中注入一个定频正弦电压信号，并周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位。
在步骤208中，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常，检测结束；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则执行步骤209。
在步骤209中，所述返回信号的电流幅值不在幅值阈值内，所以电流幅值可以大于幅值阈值的上限或者小于幅值阈值的下限，故判断所述电流幅值是否大于幅值阈值的上限，若所述电流幅值大于幅值阈值的上限，则执行步骤210；否则，执行步骤212。
在步骤210中，向二次回路中注入一个变频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线。
在步骤211中，判断所述幅频曲线是否大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线是否为单调递增，若所述幅频曲线大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线不为单调递增，则判断二次回路短路或一次回路短路；否则，判断二次回路正常，检测结束。
在步骤212中，向二次回路中注入一个变频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线。
在步骤213中，判断所述幅频曲线是否小于幅值阈值的下限的曲线，若所述幅频曲线小于幅值阈值的下限的曲线，则判断二次回路开路；否则，判断二次回路正常，检测结束。
应当了解的是，所述电流互感器的一次侧与工频电源相连，二次侧与电能表连接构成所述电流互感器的二次回路。
优选地，在进行正弦电压信号的注入时，所述正弦电压信号的频率为二次回路中工频频率的至少20倍，在实际操作时，可以从几百赫兹到几千赫兹之间进行选择。
优选地，所述采样的周期为10us。
图3为根据本发明优选实施例的二次回路状态检测系统的结构图。如图3所示，二次回路状态检测系统300主要由工频电流采集单元301、电压信号注入单元302、电流采集单元303以及FPGA采集板304组成。
优选地，所述工频电流采集单元301用于二次回路中工频电流的检测及采集，当工频电流采集单元301检测到二次回路中存在工频电流时，进行工频电流的采集工作，并将采集到的工频电流发送至FPGA采集板304进行波形绘制和判断等操作。
优选地，所述电压信号注入单元302用于向二次回路中注入正弦电压信号，所述正弦电压信号的频率为二次回路中工频频率的至少20倍，在实际操作时，可以从几百赫兹到几千赫兹之间进行选择。并根据不同的情况的步骤，选择输入频率改变或者频率不变的正线电压信号，使得二次回路中产生返回信号，以供后续判断的进行。
优选地，所述电流采集单元303负责采集二次回路中的返回信号，并将采集到的返回信号发送至FPGA采集板304，以进行信号的处理和二次回路状态的判断。
优选地，所述FPGA采集板304用于判断工频电流的波形是否畸变，若所述波形畸变，则FPGA采集板304判断二次回路状态为串接半导体；且所述FPGA采集板304用于返回信号的电流幅值和相位的判断、幅频曲线和相频曲线的绘制，FPGA采集板304接收到电流采集单元303采集的返回信号数据后，利用内置的锁相放大器进行返回信号的电流幅值和相位检测，并在注入变频的正线电压信号后，对二次回路产生的返回信号的电流幅值和相位值进行幅值曲线和相位曲线的绘制；与此同时，根据返回信号的电流幅值、相位、幅值曲线和相位曲线，进行与事先设定的幅值阈值、相位阈值、幅值阈值曲线和相位阈值曲线进行对比，根据对比结果判断二次回路的状态。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (8)
1.一种电流互感器二次回路的状态检测方法，包括：
步骤1，测量二次回路中是否存在工频电流，若存在工频电流则进入步骤2；若不存在工频电流进入步骤6；
步骤2，周期地采样并记录工频电流的幅值，绘制所述工频电流的波形；
步骤3，判断所述波形是否畸变，若所述波形畸变，则确定二次回路串接半导体，检测结束；若所述波形没有畸变，则进入步骤4；
步骤4，向二次回路中注入一个定频正弦电压信号，周期性地同步采样工频电流和返回信号，并通过锁相放大技术确定工频电流的幅值最接近于0时对应的返回信号的电流幅值和相位；
步骤5，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则判断相位偏移值是否在相位阈值内，若所述相位偏移在相位阈值内，则判断二次回路正常；否则判断所述二次回路短路或一次回路短路；
步骤6，向二次回路中注入一个定频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位；
步骤7，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则判断所述电流幅值是否大于幅值阈值的上限，若所述电流幅值大于幅值阈值的上限，则进入步骤8；若所述电流幅值小于幅值阈值的下限，则进入步骤10；
步骤8，向二次回路中注入一个变频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线；
步骤9，判断所述幅频曲线是否大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线是否为单调递增，若所述幅频曲线大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线不为单调递增，则判断二次回路短路或一次回路短路；否则，判断二次回路正常，检测结束；
步骤10，向二次回路中注入一个变频正弦电压信号，周期性的采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线；以及
步骤11，判断所述幅频曲线是否小于幅值阈值的下限的曲线，若所述幅频曲线小于幅值阈值的下限的曲线，则判断二次回路开路；否则，判断二次回路正常，检测结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流互感器的一次侧与工频电源相连，二次侧与电能表连接构成所述电流互感器的二次回路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正弦电压信号的频率为二次回路中工频频率的至少20倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述返回信号为二次回路注入的正弦电压信号所产生的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样的周期为10us。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过锁相放大技术检测返回信号的电流幅值和相位时，所述采样的时间大于等于20ms。
7.一种电流互感器二次回路的状态检测系统，包括：
工频电流采集单元，用于二次回路中工频电流的检测及采集；
电压信号注入单元，用于产生和注入正弦电压信号；
电流采集单元，用于采集二次回路中的返回信号；以及
FPGA采集板，进行工频电流的波形判断、返回信号的电流幅值和相位的判断、幅频曲线和相频曲线的绘制和判断以及二次回路状态的判断，其中，当工频电流采集单元检测并采集到二次回路中的工频电流时，所述FPGA采集板基于周期地采样并记录的工频电流的幅值，绘制所述工频电流波形，并判断所述波形是否发生畸变，若所述波形畸变，则确定二次回路串接半导体，检测结束；若所述波形没有畸变，则在电压信号注入单元向二次回路中注入一个定频正弦电压信号后，所述FPGA采集板周期性地同步采样工频电流和返回信号，并通过锁相放大技术确定工频电流的幅值最接近于0时对应的返回信号的电流幅值和相位，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常；若所述电流幅值不在幅值阈值内，则判断相位偏移值是否在相位阈值内，若所述相位偏移在相位阈值内，则判断二次回路正常；否则判断所述二次回路短路或一次回路短路；当工频电流采集单元未检测到工频电流时，在电压信号注入单元向二次回路中注入一个定频正弦电压信号后，所述FPGA采集板周期性地采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，判断所述返回信号的电流幅值是否在幅值阈值内，若所述电流幅值在幅值阈值内，则判断二次回路正常，若所述电流幅值不在幅值阈值内，则判断所述电流幅值是否大于幅值阈值的上限，当所述电流幅值大于幅值阈值的上限时，在电压信号注入单元向二次回路中注入一个变频正弦电压信号后，所述FPGA采集板周期性地采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线，判断所述幅频曲线是否大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线是否为单调递增，若所述幅频曲线大于幅值阈值的上限的曲线，且相频曲线不为单调递增，则判断二次回路短路或一次回路短路；否则，判断二次回路正常，检测结束；当所述电流幅值小于幅值阈值的下限，在电压信号注入单元向二次回路中注入一个变频正弦电压信号后，所述FPGA采集板周期性地采样返回信号，利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位，并绘制幅频曲线和相频曲线，判断所述幅频曲线是否小于幅值阈值的下限的曲线，若所述幅频曲线小于幅值阈值的下限的曲线，则判断二次回路开路；否则，判断二次回路正常，检测结束，所述FPGA采集板利用锁相放大技术确定返回信号的电流幅值和相位是通过锁相放大器实现的。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述正弦电压信号的频率为工频频率的至少20倍。
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