CN113848381B - 一种电流旁路事件的判定装置及方法 - Google Patents

一种电流旁路事件的判定装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种电流旁路事件的判定装置，涉及电能计量技术领域，包括相互连接的一次侧的电流互感器和二次侧的电流互感器，所述判定装置还包括信号发生电路、并联谐振电路和检测信号接收电路。基于判定装置实现的判定方法，包括：建立正常状态下，通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表；获取信号输出端的幅值U和通过电流互感器的电流I0；获取对照表中对应I0的幅值U0；如果U<U0，则判定发生电流旁路事件。本发明只采用ABC相三个单线圈电流互感器，不需要采取额外的电流互感器即可实现计量和旁路事件的判定，其体积较小，结构简单，且安装方便，对现场施工人员要求不高，简便宜行，可靠性高。

Description

一种电流旁路事件的判定装置及方法
技术领域
本发明涉及电能计量技术领域，具体涉及一种通过二次侧的电流互感器进行电流旁路事件的判定装置及方法。
背景技术
智能电表具有强磁干扰、停电事件、开盖等监测功能，可以防止一般的窃电手段。目前，窃电手段已经由原始粗暴的方式向隐蔽的方向发展。
二次回路处于低压侧，其连接状态并不能直接通过电能表进行监测；电流旁路一般是指用电现场，在电能表外侧，使用导线将进入电能表的电流进行部分或全部短接，这样电能表计量的电能就会小于实际使用的电能，从而达到少计甚至不计电能的目的，实现窃电。
目前判定经互感器式三相表电流旁路事件的一种方法是先测量三相电能表ABC相的电流和零线的电流，然后计算ABC三相电流的矢量和S，将S与零线电流N大小进行比较，差值绝对值超出设定阈值范围，则判断电流旁路事件发生。此方法的硬件实现有两种方式：
1、在电能表箱内，电能表外部，将三相表A、B、C相的电流端子出线一同穿入一个电流互感器，然后将电流互感器的二次输出接到电能表的零线端子上。采用此种方式，电能表内部还需要一个零流互感器测试零线电流。这种方式除了ABC相三个电流互感器，还需要另外两个互感器，成本比较高。而且，新增的两个互感器在表箱和电能表壳内的固定安装，需要采取配套的结构，也会增加表箱和电能表壳的成本。
2、电能表外部接线时需要将ABC三相的电流端子出线合并到一起，固定在零线电流端子的进端，然后从零线电流端子的出端引出三根线，分别作为A、B、C相电流输出线缆，接入到对应一次CT的二次回路。电能表内部需要增加一个零线电流互感器，固定在电能表内部零线端子上，测量经过零线电流端子的电流。这种方式由于接线比较复杂，对现场施工人员的要求比较高，且容易接错。此外，一般的经互感器式电能表的端子孔直径为6mm，同时固定三根线缆，不容易固定牢靠，有安全隐患。
判定经互感器式三相表电流旁路事件的另一种方法是电能表内侧每相需要一个电流互感器。此电流互感器由计量线圈、检测线圈构成，计量线圈负责计量电流、电压、功率等，检测线圈用来检测电能表外部的接线状况从而判定电流旁路事件。这种方式比较常见，如中国专利申请201611073498.X、200410081894.8都公开了类似的技术方案。该技术方案所使用的互感器需要两个线圈，且体积较大，设计使用起来不够灵活。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易的电流旁路事件判定装置。
本发明采用以下方案以达到目的：一种电流旁路事件的判定装置，包括相互连接的一次侧的电流互感器和二次侧的电流互感器，所述判定装置还包括信号发生电路、并联谐振电路和检测信号接收电路；信号源与其外围元器件组成信号发生电路，连接到二次侧电流互感器的输出端；瓷片电容与二次侧电流互感器的线圈并联组成并联谐振电路；检测信号接收电路由低频滤波电容和高频滤波电路构成，连接到二次侧电流互感器的输出端。
进一步地，在并联谐振电路中，增加两个串联电阻，其公共端接地，并与二次侧电流互感器线圈并联，组成计量电路。
基于上述装置，本发明还提出了一种电流旁路事件的判定方法：
建立正常状态下，通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表；获取信号输出端的幅值U和通过电流互感器的电流I0；获取对照表中对应I0的幅值U0；如果U<U0，则判定发生电流旁路事件。
有益效果：本发明只采用ABC相三个单线圈电流互感器，不需要采取额外的电流互感器即可实现计量和旁路事件的判定，其体积较小，结构简单，且安装方便，对现场施工人员要求不高，简便宜行，可靠性高。
附图说明
图1是三相电能表的接线图，
图2是其中A相的电流旁路判定电路，
图3和图4是正常状态和电流旁路状态的电压幅值示意图。
具体实施方式
参看图1，三相电表经互感器进行接线，将一次侧的大电流转化为二次侧的小电流，供计量和旁路事件判定。
电能表在进行单相电量计量时电流回路的连接情况如图2所示。图中，L1、1、L2、3组成CT回路。断开图中CT 回路任意一点为开路状态；短接被测CT1 两侧各一点为短路状态；跨被测CT1 连接分流电阻（一般是具有较小内阻的导线）为部分短路状态。
无论哪种状态，结果都是减少进入电能表内部CT2的电流，致使电能表计量的数值小于实际用电数量，达到窃电目的。
本申请判定的是部分短路，即电流旁路事件。
当发生电流旁路事件时，通过电流互感器CT2的电流为I0，I0=I-I1，其中，I1为通过旁路的电流，I为总电流，检测信号接收电路的输出幅值为U0’。
正常状态下，当通过电流互感器CT2的电流为I0时，检测信号接收电路的输出幅值为U0。
根据电路设计，以上两种情况下，U0’<U0。
也就是说，电流互感器CT2工作状态有两个：正常状态和旁路状态。在相同的电流经过时，旁路状态下检测信号接收电路的输出幅值，小于正常状态下检测信号接收电路的输出幅值。
以上是判定装置设计的输出结果，也是判断方法的依据。
参看图2，一种电流旁路事件的判定装置，包括相互连接的一次侧的电流互感器CT1和二次侧的电流互感器CT2、信号发生电路、并联谐振电路和检测信号接收电路。
信号源Uf信号源经电阻R3连接到二次侧电流互感器CT2的输出端A。
瓷片电容C1与二次侧电流互感器CT2的线圈并联组成并联谐振电路。
检测信号接收电路由低频滤波电容和高频滤波电路构成，低频滤波电容C2一端连接二次侧电流互感器CT2的输出端C，另一端连接高频滤波电路；所述高频滤波电路由电阻R4和电容C3串联组成，电容C3的另一端接地；电阻R4和电容C3的公共端为信号输出端Uout。
信号发生电路发出固定频率的方波信号，其固定频率与并联谐振电路的参数相关：等于由电流互感器开路时的二次侧线圈电感量与瓷片电容容值计算的并联谐振频率f0，且f0的范围在10K~50K之间，以区分计量信号的频率（50Hz）。
在并联谐振电路中，增加两个串联电阻R1和R2，其公共端接地，并与二次侧电流互感器CT2线圈并联，组成计量电路。
以上设计，电流互感器CT2只使用一个线圈，就可以实现旁路事件的判定以及日常所需的计量功能。
图2中，Part1是一二次电流转换侧，CT1是一次的电流互感器，将一次侧Ai与Ao间的大电流转化为二次侧1、3间0-10A或0-5A的小电流，1点接入电能表电流端子的进端，3点接入电能表同相电流端子的出端。Part2在电能表内侧，是二次计量和电流旁路检测电路。
电流互感器CT2与常规检测电流旁路的电流互感器不同。常规检测电流旁路电流互感器里面有计量线圈和检测线圈，而本方案中的电流互感器CT2只有一个线圈，其一方面用于将外部的电流转换为可供计量芯片采集的模拟信号，通过与匹配电阻R1、R2配合使用，实现对电流的计量；另一方面也用于反馈外部电流端子是否处于正常状态，通过检测线圈A、B两端等效电感的变化与匹配电容C1及检测信号接收电路来实现判断电流旁路事件的功能。
图2中，L1是CT1的二次侧电感，L2是CT2的一次侧线圈电感，L3是CT2的二次侧线圈电感，L是CT1与CT2通过点1、3接入同一回路后，CT2的二次侧线圈A、B间的等效电感。
L=L3-L2×L3/(L1+L2) （1）
据公式（1）可得以下结论：
结论1:当点1、3间开路，即CT2回路开路时，L1无穷大，L值最大。
L=L3 (2)
结论2:当点1、3间短路，即CT2输入与输出短路时，L1为0，L值最小。
L=0 (3)
结论3:当点1、3间正常接线，且CT1与CT2构成的回路有电流通过时，随着电流的增大，L1变小，根据公式（1），相应L值变小。
结论4:当点1、3间部分短路，即发生电流旁路事件时, L1较正常状态下的电感值变小，根据公式（1），相应L值变小。
CT2的二次侧线圈与电容C1构成LC并联谐振电路，当CT2开路时，根据公式（2），计算出此时的谐振频率。
(4)
此谐振频率需在10k~50k范围内，以区分计量信号的频率（50Hz）。
本实施例中，L3电感量为10mH，瓷片电容C1容值10nF，f0=16KHz。
检测信号接收电路由低频滤波电容C2和由电阻R4和电容C3串联构成的高频滤波电路组成，R4阻值为510Ω,C2容值为100nF，C3容值为1nF。计量信号的频率为50HZ，低频滤波电容C2可以将其滤除，只允许较高频率的检测信号通过。高频滤波电路将除检测信号外的其他高频信号滤除。
信号源为MCU或计量芯片，输出16KHZ方波信号。
在频率为f0的方波信号Uf的激励下，经过CT2的二次侧线圈与C1构成的并联谐振电路产生检测信号，经过检测信号接收电路，输出Uout。Uout的幅值会随着CT2线圈A、B两端等效电感量L 减小而变小，且CT2外部开路时，等效电感L最大，CT2外部完全短路时，等效电感L最小。
根据结论4，当电流旁路事件发生时，A、B两端的等效电感量L会比对应的正常状态时的电感量小，则输出端Uout的幅值也会较常态下小。通过检测Uout幅值，可以判断电流旁路事件的发生。
以下是根据以上装置和原理提出的旁路事件判定方法。
在装置中增加MCU，MCU连接计量芯片，控制信号源的动作，进行旁路事件的判断。
MCU中建立正常状态下通过电流互感器CT2的电流和信号输出端的幅值对照表。
获取实际信号输出端的幅值U和通过电流互感器CT2的电流I0。
获取对照表中对应I0的幅值U0。
如果U<U0，则判定发生电流旁路事件。
首先是建立通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表。
将不同的电流输入到电流互感器CT2，读取正常状态下检测信号接收电路的输出值，建立通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表。
输入电流的范围0<I≤Imax，Imax为二次侧的最大电流，一般为5A或10A。步进越小，获取的输出值越多。本实施例中，步进为0.1A。
在实际应用中，通过电流互感器CT2的电流I0时刻在变化，并且一般不会跟对照表中的电流值完全匹配。这种情况下，采用插值方法进行进一步的计算，得出信号输出端的幅值U。
采用这种方式，需要获取的实验数据量大；获取少量数据可以减少工作量，但这种情况下采用插值计算有可能造成误差。
本发明还提供了另外一种建立通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表的方法。
正常状态下，当通过电流互感器的电流为I0时，检测信号接收电路的输出幅值设为U0；当发生电流旁路事件，即部分短接电流互感器CT2的两端时，如果通过电流互感器的电流仍为I0，此时检测信号接收电路的输出幅值设为U0’，则会有U0’<U0。
正常状态下，随着经过电流互感器的电流的增大，检测信号接收电路的输出幅值会变小；当发生电流旁路事件时，随着经过电流互感器的电流的增大，输出幅值也会变小。
根据以上原理，可以找到一个电流点I1，当发生电流旁路事件时，对于任何一个电流点I≤I1，其对应的Uout幅值较正常状态下整个范围段（I≤I1）内每个电流点对应的幅值小，即比正常状态下电流点I1对应的幅值U1要小，即Uout<U1，因此，当I≤I1，如果Uout<U1，则判定发生电流旁路事件。
同理可以找到一个电流点I2，当发生电流旁路事件时，对于任何一个电流点I1<I≤I2，其对应的Uout幅值较正常状态下整个范围段（I1<I≤I2）内每个电流点对应的幅值要小，即比正常状态下电流点I2对应的幅值U2要小，即Uout<U2，因此，当I1<I≤I2，如果Uout<U2，则判定发生电流旁路事件。依次类推，可以找到（I3，U3）、（I4，U4）、......，直到覆盖全范围段的电流点，如图3所示。
发生旁路事件的曲线离正常曲线越近，旁路的电流值越小。从图3中可以看出，根据离正常曲线近的曲线得到的覆盖全范围段的电流点，也可以作为离正常曲线远的曲线的判断依据。
精确地选择上述电流和电压幅值在实践中存在难度。本实施例采用以下方法得到判断阈值：
1、正常状态下，选取一组电流值，分别输入到电流互感器CT2，读取检测信号接收电路的输出值序列M。输入电流I的范围0<I≤Imax，Imax为二次侧的最大电流，一般为5A或10A。
一组中电流值的数量和具体数值根据最大电流决定，最大电流为5A时，选取10-15个电流值；最大电流为10A时，选取20-30个电流值。具体数值在0-Imax范围内均匀分布，靠近两端，即靠近0和Imax，可以密集一些。
2、建立电流旁路，将上述选取的一组电流值，分别输入到电流互感器CT2，读取检测信号接收电路的输出值序列P。
3、分析上述数据，得到（I1，U1）、（I2，U2）、...... 、（In，Un）序列，n为序列中的数据项个数。
分析方法：
A、找到序列P中数值最大的数据项P0，
B、找到序列M中，所有大于P0的最小数值M0；找到序列M中，数值M0对应的电流值Im，I1=Im，U1=M0，得到（I1，U1），
C、找到序列P中，电流Im对应的数值P0’，
D、找到序列M中，所有大于P0’的最小数值M0’；找到序列M中，数值M0’对应的电流值Im，I2=Im，U2=M0’，得到（I2，U2），
E、重复C-D，直到找到的电流值为最大时，结束。
下面的表格为根据上述方法1和2获取的数据。
A 0.01 0.10 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
M 0x02215A1C 0x02187734 0x00170D94 0x0001DB2E 0x0000F2C7 0x0000999B 0x0000662B 0x0000506E 0x00003978 0x00002E8D 0x00002B2E
P 0x0000C50C 0x00008D0C 0x00006066 0x00005B7F 0x000048C9 0x00003616 0x0000250D 0x0000147E 0x000013AB 0x000012E3 0x00001207
0.02 0.15 1.45 1.90 2.40 2.85 3.50 4.15 4.70 5.35 5.80
其中，第一行数据A为选取的一组进入电能表的电流值（A），最大Imax=5.0A，第二行数据M为正常状态下记录幅值的寄存器值，第三行数据P为发生电流旁路时记录幅值的寄存器值，第四行数据4为发生电流旁路时电能表外侧施加的电流值，即旁路电流+进入电流互感器CT2的电流。
对上述数据进行分析：
A、序列P中数值最小的数据项P0=0x0000C50C。
B、序列M中，所有大于P0的有5项，其中最小的是M0=0x0000F2C7；序列M中，数值M0对应的电流值Im=2.0A，I1=2.0，U1=M0，得到（I1，U1）=（2.0，0x0000F2C7）。
C、电流Im=2.0对应P序列中的数值P0’=0x000048C9。
D、序列M中，所有大于P0’的最小数值M0’=0x0000506E；序列M中，数值M0’对应的电流值Im=3.5A，I2=Im，U2=M0’，得到（I2，U2）=（3.5，0x0000506E）。
E、重复步骤C-D，得到（I3，U3）=（5.0，0x00002B2E）。
步骤D中找到的电流值为最大，结束。
此时，得到了（2.0，0x0000F2C7）、（3.5，0x0000506E）、（5.0，0x00002B2E）序列，各电流区段对比的阈值，即电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表。
上述序列对应的物理意义：
当电流小于等于2.0A时，如果计量芯片寄存器中的电压值小于0x0000F2C7，则判定发生电流旁路事件。
当电流大于2.0A小于等于3.5A时，如果计量芯片寄存器中的电压值小于0x0000506E，则判定发生电流旁路事件。
当电流大于3.5A小于等于5.0A时，如果计量芯片寄存器中的电压值小于0x00002B2E，则判定发生电流旁路事件。
由于发生电流旁路时，对于进入电流互感器的电流为同一值时，旁路通过的电流越小，其对应的Uout幅值越大，旁路通过的电流越大，其对应的Uout幅值越小。所以实际应用中，常选用通过的旁路电流小的测试数据来设置阈值，判定电流旁路事件的发生，这样可以覆盖通过旁路的电流大的情况。
以上测试数据选取了短接电流较小时的测试数据，进入电流互感器为5A时，旁路的电流比例为13.79%，现场发生电流旁路时，旁路电流的比例一般在15%~80%，因此上述结果可以覆盖大多数电流旁路事件，如图4所示。图中，横坐标是电流值，纵坐标是计量芯片寄存器中的电压值。电流很小时，电压值会很大，图4并不是按照实际电压数据做出的图，只是用于说明上述关系。
如果要覆盖更多的情况，可以测试短接电流更小的数据，且判定电流旁路事件的分段点会更多。
获取信号输出端的幅值U和通过电流互感器CT2的电流I0。
每个t时间段内，执行以下步骤：获取通过电流互感器CT2的电流I0；启动信号发生电路，获取信号输出端的幅值U，信号发生电路工作时间为t1。
从计量芯片或者AD模拟芯片读取计量信号相关数据，如电压、电流、功率、电能时，一般耗时几十毫秒，将其设置为每1秒读取一次，即t=1秒。读取时，停止信号发生电路的工作，不向电流互感器的二次线圈发射高频方波信号，以免干扰计量信号的采样及其相关数据读取。当读取完计量相关数据后，再向电流互感器的二次线圈发射高频方波信号，时长约100ms，即t1=100ms，期间读取信号输出端振荡信号的幅值。
获取对照表中对应I0的幅值U0。
如果是将不同的电流输入到电流互感器CT2，读取正常状态下检测信号接收电路的输出值，建立通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表，则在对照表中找到与I0相等或与I0最接近的电流值，直接得到或通过插值得到U0。
如果是建立了各电流区段对比的阈值，则判断：如果I0≤I1，则U0=U1；如果Im<I0≤Im+1，则U0=Um。0<m≤n。
如果U<U0，则判定发生电流旁路事件。

Claims (3)

1.一种电流旁路事件的判定方法，基于电流旁路事件的判定装置实现，所述装置包括相互连接的一次侧的电流互感器和二次侧的电流互感器，其特征在于：所述判定装置还包括信号发生电路、并联谐振电路和检测信号接收电路；信号源与其外围元器件组成信号发生电路，连接到二次侧电流互感器的输出端（A）；瓷片电容与二次侧电流互感器的线圈并联组成并联谐振电路；检测信号接收电路由低频滤波电容和高频滤波电路构成，连接到二次侧电流互感器的输出端（C）；
在并联谐振电路中，增加两个串联电阻，其公共端接地，并与二次侧电流互感器线圈并联，组成计量电路；
所述检测信号接收电路中，低频滤波电容（C2）一端连接二次侧电流互感器的输出端（C），另一端连接高频滤波电路；所述高频滤波电路由电阻（R4）和电容（C3）串联组成，电容（C3）的另一端接地；电阻（R4）和电容（C3）的公共端为信号输出端（Uout）；
所述方法包括：
建立正常状态下通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表；
每个t时间段内，执行以下步骤：
获取通过二次侧电流互感器的电流I0；
启动信号发生电路，获取信号输出端的幅值U，信号发生电路工作时间为t1；
获取对照表中对应I0的幅值U0；
如果U<U0，则判定发生电流旁路事件；
所述建立正常状态下通过电流互感器的电流和信号输出端的幅值对照表的方法为：
正常状态下，选取一组电流值，分别输入到二次侧电流互感器，读取检测信号接收电路的输出值序列M；输入电流I的范围0<I≤Imax，Imax为二次侧的最大电流；电流值的数量在10-30个；
建立电流旁路，将上述选取的一组电流值，分别输入到二次侧电流互感器，读取检测信号接收电路的输出值序列P；
A、找到序列P中数值最大的数据项P0，
B、找到序列M中，所有大于P0的最小数值M0；找到序列M中，数值M0对应的电流值Im，I1=Im，U1=M0，得到（I1，U1），
C、找到序列P中，电流Im对应的数值P0’，
D、找到序列M中，所有大于P0’的最小数值M0’；找到序列M中，数值M0’对应的电流值Im，I2=Im，U2=M0’，得到（I2，U2），
E、重复C-D，直到找到的电流值为最大时，结束；
通过上述步骤，得到（I1，U1）、（I2，U2）、...... 、（In，Un）序列，n为序列中的数据项个数；
所述获取对照表中对应I0的幅值U0的方法为：如果I0≤I1，则U0=U1；如果Im<I0≤Im+1，则U0=Um；0<m≤n；
所述t=1秒，t1=100毫秒。
2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于：所述信号发生电路中，信号源经电阻（R3）连接到二次侧电流互感器的输出端（A）。
3.根据权利要求2所述的判定方法，其特征在于：所述信号发生电路发出固定频率的方波信号，其固定频率等于由电流互感器开路时的二次侧线圈电感量与瓷片电容容值计算的并联谐振频率f0，且f0的范围在10K~50K之间。
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