本發(fā)明涉及電能計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊及方法、專變采集終端。

背景技術(shù)：

竊電是指非法占用電能、以不交或者少交電費(fèi)為目的、采用非法手段不計(jì)量或者少計(jì)量用電的行為。電能計(jì)量系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：互感器、二次回路以及電能表，其中，電能表近些年來已基本普及為智能電表，其具有強(qiáng)磁干擾、停電事件、開蓋監(jiān)測(cè)等功能，具有防竊電的功能；互感器由于存在高壓易發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，竊電的可能性較小；二次回路處于低壓側(cè)，其連接狀態(tài)并不能直接通過電能表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便成了竊電者最容易改動(dòng)的環(huán)節(jié)。

根據(jù)電能計(jì)量的表達(dá)式可知，只要把電壓、電流以及功率因數(shù)中的任何一項(xiàng)參數(shù)減少，都可以減小功率，使電量減少。而在實(shí)際情況中，由于電壓隨負(fù)荷的變化很小，采用人為的方式減小電壓很容易被發(fā)現(xiàn)，通過改變功率因數(shù)又能根據(jù)功率因數(shù)的變化被發(fā)現(xiàn)。只有減小電流是個(gè)例外，因?yàn)殡娏魇请S著用戶的用電負(fù)荷變化而不停變化的，可以從零變化至最大值，因而很難通過電流的變化情況來判斷被計(jì)量對(duì)象是否在竊電。在利用改變電流進(jìn)行竊電的手法中，又以直接對(duì)電流互感器二次回路進(jìn)行短接的分流竊電方法最難被發(fā)現(xiàn)，且占各種竊電行為的比率最大。雖然目前市場(chǎng)上已有很多防分流竊電的產(chǎn)品，但是由于產(chǎn)品自身的原因，使用并不廣泛。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊及方法、專變采集終端，基于互感器二次回路的阻抗特性，實(shí)現(xiàn)電流互感器二次回路的正常連接、開路、短路以及短接電能表的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，包括第一通信單元、微控制單元、電流檢測(cè)單元、信號(hào)施加單元、諧振單元以及反相器；所述第一通信單元與所述微控制單元連接，用于與專變采集終端中的第二通信單元進(jìn)行通信；所述電流檢測(cè)單元與所述微控制單元連接，用于檢測(cè)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流；所述信號(hào)施加單元與所述微控制單元連接，用于向電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)，所述高頻電壓信號(hào)的頻率與所述諧振單元的諧振頻率相同；所述諧振單元與所述微控制單元連接，用于在電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)時(shí)發(fā)生諧振；所述反相器與所述諧振單元連接，用于與所述諧振單元構(gòu)成自激振蕩電路；所述微控制單元用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、流程控制以及信號(hào)控制。

可選的，所述電流檢測(cè)單元包括第一電流互感器和采樣電阻；所述第一電流互感器的初級(jí)線圈為電流互感器二次回路導(dǎo)線一匝穿心，所述第一電流互感器的次級(jí)線圈的一端連接所述采樣電阻的一端和所述微控制單元，所述第一電流互感器的次級(jí)線圈的另一端連接所述采樣電阻的另一端并接地。

可選的，所述信號(hào)施加單元包括電壓互感器和驅(qū)動(dòng)電路；所述電壓互感器的初級(jí)線圈為電流互感器二次回路導(dǎo)線一匝穿心，所述電壓互感器的次級(jí)線圈的一端連接所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，所述電壓互感器的次級(jí)線圈的另一端接地，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接所述微控制單元。

可選的，所述諧振單元包括第二電流互感器、第一電容和第二電容；所述第二電流互感器的初級(jí)線圈為電流互感器二次回路導(dǎo)線一匝穿心，所述第二電流互感器的次級(jí)線圈的一端連接所述第一電容的一端和所述微控制單元，所述第二電流互感器的次級(jí)線圈的另一端連接所述第二電容的一端，所述第一電容的另一端和所述第二電容的另一端接地。

可選的，所述反相器的輸出端連接所述第一電容的一端，所述反相器的輸入端連接所述第二電容的一端。

可選的，所述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊還包括安全單元；所述安全單元與所述微控制單元和所述第一通信單元連接，用于對(duì)所述第一通信單元與轉(zhuǎn)變采集終端中的第二通信單元之間的通信進(jìn)行身份認(rèn)證和信息安全加密。

可選的，所述安全單元為嵌入式安全控制模塊。

可選的，所述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊還包括電源單元；所述電源單元用于將專變采集終端提供的電源轉(zhuǎn)換為電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊的供電電源。

基于上述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，本發(fā)明還提供一種電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)方法，包括：

所述電流檢測(cè)單元檢測(cè)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流；

所述微控制單元判斷電流互感器二次回路的負(fù)荷電流是否低于預(yù)設(shè)電流閾值；

若電流互感器二次回路的負(fù)荷電流不低于預(yù)設(shè)電流閾值，啟動(dòng)所述自激振蕩電路，所述微控制單元在所述自激振蕩電路的最小頻率未發(fā)生變化時(shí)，確定電流互感器二次回路工作正常；

若電流互感器二次回路的負(fù)荷電流低于預(yù)設(shè)電流閾值，所述信號(hào)施加單元向電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)，所述微控制單元在檢測(cè)到的振蕩信號(hào)的幅值不高于預(yù)設(shè)電壓閾值時(shí)，確定電流互感器二次回路工作正常。

基于上述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，本發(fā)明還提供一種專變采集終端，包括第二通信單元和上述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，所述第二通信單元用于與所述第一通信單元進(jìn)行通信。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明提供的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊及方法，基于互感器二次回路的阻抗特性，首先檢測(cè)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流大小，根據(jù)負(fù)荷電流大小可判斷電流互感器二次回路處于開路/正常低負(fù)荷狀態(tài)還是處于正常/短路狀態(tài)；通過檢測(cè)自激振蕩電路的最小頻率，進(jìn)一步判斷電流互感器二次回路是處于正常狀態(tài)還是處于短路狀態(tài)；通過在諧振單元工作時(shí)是否檢測(cè)到高頻信號(hào)，進(jìn)一步判斷電流互感器二次回路處于開路狀態(tài)還是工作狀態(tài)；通過檢測(cè)諧振單元振蕩信號(hào)的幅值大小，更進(jìn)一步判斷電流互感器二次回路處于短路狀態(tài)還是正常狀態(tài)。通過上述檢測(cè)，可準(zhǔn)確識(shí)別電流互感器二次回路的連接狀態(tài)，為竊電監(jiān)測(cè)提供可靠數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，本發(fā)明提供的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊可直接安裝于專變采集終端內(nèi)部，取代專變采集終端中的電流互感器即可，無(wú)需對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行過多的改造，因而能夠進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例

圖1是本實(shí)施例的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，CT0為計(jì)量用電流互感器。計(jì)量用電流互感器CT0的一次側(cè)與工頻電源連接，計(jì)量用電流互感器CT0的二次側(cè)與電能表電流采樣電路10連接構(gòu)成電流互感器二次回路。所述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊包括第一通信單元11、微控制單元12、電流檢測(cè)單元15、信號(hào)施加單元16、諧振單元17以及反相器INV。

具體地，所述第一通信單元11與所述微控制單元12連接，在所述微控制單元12的控制下，與專變采集終端中的第二通信單元進(jìn)行通信。在本實(shí)施例中，所述第一通信單元11采用Maxim公司的MAX485集成電路。

所述電流檢測(cè)單元15與所述微控制單元12連接，在所述微控制單元12的控制下，檢測(cè)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流。進(jìn)一步，所述電流檢測(cè)單元15包括第一電流互感器CT1和采樣電阻R1。所述第一電流互感器CT1的初級(jí)線圈為電流互感器二次回路導(dǎo)線一匝穿心，所述第一電流互感器CT1的次級(jí)線圈的一端連接所述采樣電阻R1的一端和所述微控制單元12，所述第一電流互感器CT1的次級(jí)線圈的另一端連接所述采樣電阻R1的另一端并接地。檢測(cè)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流時(shí)，所述第一電流互感器CT1對(duì)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流進(jìn)行感應(yīng)，所述采樣電阻R1將所述第一電流互感器CT1感應(yīng)到的電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓，并由所述微控制單元12內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)該電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

所述信號(hào)施加單元16與所述微控制單元12連接，在所述微控制單元12的控制下，向電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)，所述高頻電壓信號(hào)的頻率與所述諧振單元的諧振頻率相同。進(jìn)一步，所述信號(hào)施加單元16包括電壓互感器PT和驅(qū)動(dòng)電路14。所述電壓互感器PT的初級(jí)線圈為電流互感器二次回路導(dǎo)線一匝穿心，所述電壓互感器PT的次級(jí)線圈的一端連接所述驅(qū)動(dòng)電路14的輸出端，所述電壓互感器PT的次級(jí)線圈的另一端接地，所述驅(qū)動(dòng)電路14的輸入端連接所述微控制單元12。向電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)時(shí)，由所述微控制單元12產(chǎn)生所需頻率的控制信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路14對(duì)該控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大獲得高頻電壓信號(hào)，通過所述電壓互感器PT的感應(yīng)，所述高頻電壓信號(hào)被注入電流互感器二次回路中。

所述諧振單元17與所述微控制單元12連接，用于在電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)時(shí)發(fā)生諧振。進(jìn)一步，所述諧振單元17包括第二電流互感器CT2、第一電容C1和第二電容C2。所述第二電流互感器CT2的初級(jí)線圈為電流互感器二次回路導(dǎo)線一匝穿心，所述第二電流互感器CT2的次級(jí)線圈的一端連接所述第一電容C1的一端和所述微控制單元12，所述第二電流互感器CT2的次級(jí)線圈的另一端連接所述第二電容C2的一端，所述第一電容C1的另一端和所述第二電容C2的另一端接地。在電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)時(shí)，由于注入的高頻電壓信號(hào)的頻率與所述諧振單元17的諧振頻率相同，所述諧振單元17呈現(xiàn)諧振狀態(tài)，所述高頻電壓信號(hào)被諧振放大獲得振蕩信號(hào)，該振蕩信號(hào)的幅值被所述微控制單元12采集。所述反相器INV與所述諧振單元17連接，用于與所述諧振單元17構(gòu)成自激振蕩電路。所述反相器INV的輸出端連接所述第一電容C1的一端，所述反相器INV的輸入端連接所述第二電容C2的一端。

所述微控制單元12用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、流程控制以及信號(hào)控制。進(jìn)一步，所述微控制單元12用于控制所述第一通信單元11工作，用于向所述信號(hào)施加單元16提供所需頻率的控制信號(hào)，用于采集所述電流檢測(cè)單元15檢測(cè)的電流互感器二次回路的負(fù)荷電流、所述自激振蕩電路最小頻率以及所述諧振單元17發(fā)生諧振時(shí)的振蕩信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在本實(shí)施例中，所述微控制單元12采用內(nèi)部集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的意法半導(dǎo)體公司的STM32F103集成電路。

在本實(shí)施例中，所述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊還包括安全單元13。所述安全單元13與所述微控制單元12和所述第一通信單元11連接，在所述微控制單元12的控制下，對(duì)所述第一通信單元11與專變采集終端中的第二通信單元之間的通信進(jìn)行身份認(rèn)證和信息安全加密。在本實(shí)施例中，所述安全單元13采用國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一發(fā)行使用的嵌入式安全控制模塊(ESAM，Embedded Secure Access Module)。

需要說明的是，本實(shí)施例的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊可以由外部供電，也可以由專變采集終端供電。在本實(shí)施例中，所述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊還包括電源單元，所述電源單元用于將專變采集終端提供的電源轉(zhuǎn)換為電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊的供電電源。

基于上述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，本實(shí)施例還提供一種電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)方法。圖2是本實(shí)施例的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)方法的流程示意圖，包括：

步驟S1，所述電流檢測(cè)單元15檢測(cè)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流。具體地，電流互感器二次回路工作時(shí)，所述第一電流互感器CT1對(duì)電流互感器二次回路的負(fù)荷電流進(jìn)行感應(yīng)，所述采樣電阻R1將所述第一電流互感器CT1感應(yīng)到的電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓，并由所述微控制單元12內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)該電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

步驟S2，所述微控制單元12判斷電流互感器二次回路的負(fù)荷電流是否低于預(yù)設(shè)電流閾值。所述預(yù)設(shè)電流閾值預(yù)先存儲(chǔ)在所述微控制單元12中，其設(shè)置得越小，監(jiān)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確，但對(duì)各個(gè)電路元器件的工作精度要求越高。所述預(yù)設(shè)電流閾值可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置，在本實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)電流閾值設(shè)置為工頻電流的百分之一。

若電流互感器二次回路的負(fù)荷電流不低于預(yù)設(shè)電流閾值，執(zhí)行步驟S31～S34。

步驟S31，啟動(dòng)所述自激振蕩電路。具體地，開啟所述反相器INV的工作電源。

步驟S32，所述微控制單元12判斷所述自激振蕩電路的最小頻率是否發(fā)生變化。具體地，由所述第二電流互感器CT2、所述第一電容C1、所述第二電容C2以及所述反相器INV構(gòu)成的自激振蕩電路，振蕩頻率與所述第二電流互感器CT2的次級(jí)線圈的電感量、所述第一電容C1的電容量以及所述第二電容C2的電容量有關(guān)，而所述第二電流互感器CT2的次級(jí)線圈的電感量又與工頻電流的幅值有關(guān)。當(dāng)工頻電流幅值升高時(shí)，由于所述第二電流互感器CT2的鐵芯材料進(jìn)入飽和狀態(tài)，所述第二電流互感器CT2的次級(jí)線圈的電感量會(huì)降低，自激振蕩電路的振蕩頻率會(huì)隨著工頻電流幅值升高而增大。因此，自激振蕩電路的振蕩頻率隨著工頻電流的變化呈現(xiàn)周期性的增大和減小。在工頻電流過零點(diǎn)處，所述第二電流互感器CT2的次級(jí)線圈的電感量最大，自激振蕩電路的振蕩頻率最小。當(dāng)電流互感器二次回路被短接時(shí)，自激振蕩電路的最小振蕩頻率會(huì)升高，因此，自激振蕩電路的最小頻率是否變化可以作為電流互感器二次回路是否被短路的判斷依據(jù)。

若所述自激振蕩電路的最小頻率發(fā)生變化，執(zhí)行步驟S33，確定電流互感器二次回路短路、電流互感器一次回路短路或者計(jì)量用電流互感器發(fā)生磁飽和。若所述自激振蕩電路的最小頻率未發(fā)生變化，執(zhí)行步驟S34，確定電流互感器二次回路工作正常。

若電流互感器二次回路的負(fù)荷電流低于預(yù)設(shè)電流閾值，執(zhí)行步驟S41～S46。

步驟S41，所述信號(hào)施加單元16向電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)。具體地，由所述微控制單元12產(chǎn)生所需頻率的控制信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路14對(duì)該控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大獲得高頻電壓信號(hào)，通過所述電壓互感器PT的感應(yīng)，所述高頻電壓信號(hào)被注入電流互感器二次回路中。

步驟S42，所述微控制單元12判斷是否從所述諧振單元檢測(cè)到振蕩信號(hào)。具體地，在電流互感器二次回路注入高頻電壓信號(hào)時(shí)，由于注入的高頻電壓信號(hào)的頻率與所述諧振單元17的諧振頻率相同，若電流互感器二次回路開路未發(fā)生開路，所述諧振單元17將呈現(xiàn)諧振狀態(tài)，所述高頻電壓信號(hào)被諧振放大獲得振蕩信號(hào)，該振蕩信號(hào)的幅值被所述微控制單元12采集。

若未從所述諧振單元17檢測(cè)到振蕩信號(hào)，執(zhí)行步驟S43，確定電流互感器二次回路開路。若從所述諧振單元17檢測(cè)到振蕩信號(hào)，執(zhí)行步驟S44～S46。

步驟S44，所述微控制單元12判斷振蕩信號(hào)的幅值是否高于預(yù)設(shè)電壓閾值。具體地，所述預(yù)設(shè)電壓閾值根據(jù)電流互感器二次回路正常時(shí)所述振蕩信號(hào)的幅值進(jìn)行設(shè)置且預(yù)先存儲(chǔ)在所述微控制單元12中。

若振蕩信號(hào)的幅值高于預(yù)設(shè)電壓閾值，執(zhí)行步驟S45，確定電流互感器二次回路短路。若振蕩信號(hào)的幅值不高于預(yù)設(shè)電壓閾值，執(zhí)行步驟S46，確定電流互感器二次回路工作正常。

需要說明的是，所述微控制單元12最終將上述監(jiān)測(cè)結(jié)果通過所述第一通信單元11上報(bào)至專變采集終端中的第二通信單元，為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)備檢修、用電檢查提供數(shù)據(jù)支持，輔助檢查人員判斷是否存在竊電行為。

本實(shí)施例提供的電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊可作為單獨(dú)的模塊使用，也可以直接安裝于專變采集終端內(nèi)部，取代專變采集終端中的電流互感器?；诖耍緦?shí)施例還提供一種專變采集終端，所述專變采集終端包括第二通信單元和上述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，所述第二通信單元用于與所述第一通信單元進(jìn)行通信，用于接收所述電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。