电流互感器二次回路监测模块、专变采集终端的制作方法

本实用新型涉及电能计量技术领域，具体涉及一种电流互感器二次回路监测模块、专变采集终端。

背景技术：

窃电是指非法占用电能、以不交或者少交电费为目的、采用非法手段不计量或者少计量用电的行为。电能计量系统主要包括三个部分：互感器、二次回路以及电能表，其中，电能表近些年来已基本普及为智能电表，其具有强磁干扰、停电事件、开盖监测等功能，具有防窃电的功能；互感器由于存在高压易发生安全事故的风险，窃电的可能性较小；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，便成了窃电者最容易改动的环节。

根据电能计量的表达式可知，只要把电压、电流以及功率因数中的任何一项参数减少，都可以减小功率，使电量减少。而在实际情况中，由于电压随负荷的变化很小，采用人为的方式减小电压很容易被发现，通过改变功率因数又能根据功率因数的变化被发现。只有减小电流是个例外，因为电流是随着用户的用电负荷变化而不停变化的，可以从零变化至最大值，因而很难通过电流的变化情况来判断被计量对象是否在窃电。在利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被发现，且占各种窃电行为的比率最大。虽然目前市场上已有很多防分流窃电的产品，但是由于产品自身的原因，使用并不广泛。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电流互感器二次回路监测模块、专变采集终端，基于互感器二次回路的阻抗特性，实现电流互感器二次回路的正常连接、开路、短路以及短接电能表的状态监测。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种电流互感器二次回路监测模块，包括第一通信单元、微控制单元、电流检测单元、信号施加单元、谐振单元以及反相器；所述第一通信单元与所述微控制单元连接，用于与专变采集终端中的第二通信单元进行通信；所述电流检测单元与所述微控制单元连接，用于检测电流互感器二次回路的负荷电流；所述信号施加单元与所述微控制单元连接，用于向电流互感器二次回路注入高频电压信号，所述高频电压信号的频率与所述谐振单元的谐振频率相同；所述谐振单元与所述微控制单元连接，用于在电流互感器二次回路注入高频电压信号时发生谐振；所述反相器与所述谐振单元连接，用于与所述谐振单元构成自激振荡电路；所述微控制单元用于实现数据采集、流程控制以及信号控制。

可选的，所述电流检测单元包括第一电流互感器和采样电阻；所述第一电流互感器的初级线圈为电流互感器二次回路导线一匝穿心，所述第一电流互感器的次级线圈的一端连接所述采样电阻的一端和所述微控制单元，所述第一电流互感器的次级线圈的另一端连接所述采样电阻的另一端并接地。

可选的，所述信号施加单元包括电压互感器和驱动电路；所述电压互感器的初级线圈为电流互感器二次回路导线一匝穿心，所述电压互感器的次级线圈的一端连接所述驱动电路的输出端，所述电压互感器的次级线圈的另一端接地，所述驱动电路的输入端连接所述微控制单元。

可选的，所述谐振单元包括第二电流互感器、第一电容和第二电容；所述第二电流互感器的初级线圈为电流互感器二次回路导线一匝穿心，所述第二电流互感器的次级线圈的一端连接所述第一电容的一端和所述微控制单元，所述第二电流互感器的次级线圈的另一端连接所述第二电容的一端，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端接地。

可选的，所述反相器的输出端连接所述第一电容的一端，所述反相器的输入端连接所述第二电容的一端。

可选的，所述第一通信单元为Maxim公司的MAX485集成电路，所述微控制单元为意法半导体公司的STM32F103集成电路。

可选的，所述电流互感器二次回路监测模块还包括安全单元；所述安全单元与所述微控制单元和所述第一通信单元连接，用于对所述第一通信单元与转变采集终端中的第二通信单元之间的通信进行身份认证和信息安全加密。

可选的，所述安全单元为嵌入式安全控制模块。

可选的，所述电流互感器二次回路监测模块还包括电源单元；所述电源单元用于将专变采集终端提供的电源转换为电流互感器二次回路监测模块的供电电源。

基于上述电流互感器二次回路监测模块，本实用新型还提供一种专变采集终端，包括第二通信单元和上述电流互感器二次回路监测模块，所述第二通信单元用于与所述第一通信单元进行通信。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本实用新型提供的电流互感器二次回路监测模块，基于互感器二次回路的阻抗特性，首先检测电流互感器二次回路的负荷电流大小，根据负荷电流大小可判断电流互感器二次回路处于开路/正常低负荷状态还是处于正常/短路状态；通过检测自激振荡电路的最小频率，进一步判断电流互感器二次回路是处于正常状态还是处于短路状态；通过在谐振单元工作时是否检测到高频信号，进一步判断电流互感器二次回路处于开路状态还是工作状态；通过检测谐振单元振荡信号的幅值大小，更进一步判断电流互感器二次回路处于短路状态还是正常状态。通过上述检测，可准确识别电流互感器二次回路的连接状态，为窃电监测提供可靠数据。进一步，本实用新型提供的电流互感器二次回路监测模块可直接安装于专变采集终端内部，取代专变采集终端中的电流互感器即可，无需对电能计量系统进行过多的改造，因而能够进行大规模的推广应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例的电流互感器二次回路监测模块的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的电流互感器二次回路监测模块的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

图1是本实施例的电流互感器二次回路监测模块的结构示意图，其中，CT0为计量用电流互感器。计量用电流互感器CT0的一次侧与工频电源连接，计量用电流互感器CT0的二次侧与电能表电流采样电路10连接构成电流互感器二次回路。所述电流互感器二次回路监测模块包括第一通信单元11、微控制单元12、电流检测单元15、信号施加单元16、谐振单元17以及反相器INV。

具体地，所述第一通信单元11与所述微控制单元12连接，在所述微控制单元12的控制下，与专变采集终端中的第二通信单元进行通信。在本实施例中，所述第一通信单元11采用Maxim公司的MAX485集成电路。

所述电流检测单元15与所述微控制单元12连接，在所述微控制单元12的控制下，检测电流互感器二次回路的负荷电流。进一步，所述电流检测单元15包括第一电流互感器CT1和采样电阻R1。所述第一电流互感器CT1的初级线圈为电流互感器二次回路导线一匝穿心，所述第一电流互感器CT1的次级线圈的一端连接所述采样电阻R1的一端和所述微控制单元12，所述第一电流互感器CT1的次级线圈的另一端连接所述采样电阻R1的另一端并接地。检测电流互感器二次回路的负荷电流时，所述第一电流互感器CT1对电流互感器二次回路的负荷电流进行感应，所述采样电阻R1将所述第一电流互感器CT1感应到的电流转换为对应的电压，并由所述微控制单元12内部集成的模数转换器对该电压进行转换。

所述信号施加单元16与所述微控制单元12连接，在所述微控制单元12的控制下，向电流互感器二次回路注入高频电压信号，所述高频电压信号的频率与所述谐振单元的谐振频率相同。进一步，所述信号施加单元16包括电压互感器PT和驱动电路14。所述电压互感器PT的初级线圈为电流互感器二次回路导线一匝穿心，所述电压互感器PT的次级线圈的一端连接所述驱动电路14的输出端，所述电压互感器PT的次级线圈的另一端接地，所述驱动电路14的输入端连接所述微控制单元12。向电流互感器二次回路注入高频电压信号时，由所述微控制单元12产生所需频率的控制信号，所述驱动电路14对该控制信号进行驱动放大获得高频电压信号，通过所述电压互感器PT的感应，所述高频电压信号被注入电流互感器二次回路中。

所述谐振单元17与所述微控制单元12连接，用于在电流互感器二次回路注入高频电压信号时发生谐振。进一步，所述谐振单元17包括第二电流互感器CT2、第一电容C1和第二电容C2。所述第二电流互感器CT2的初级线圈为电流互感器二次回路导线一匝穿心，所述第二电流互感器CT2的次级线圈的一端连接所述第一电容C1的一端和所述微控制单元12，所述第二电流互感器CT2的次级线圈的另一端连接所述第二电容C2的一端，所述第一电容C1的另一端和所述第二电容C2的另一端接地。在电流互感器二次回路注入高频电压信号时，由于注入的高频电压信号的频率与所述谐振单元17的谐振频率相同，所述谐振单元17呈现谐振状态，所述高频电压信号被谐振放大获得振荡信号，该振荡信号的幅值被所述微控制单元12采集。所述反相器INV与所述谐振单元17连接，用于与所述谐振单元17构成自激振荡电路。所述反相器INV的输出端连接所述第一电容C1的一端，所述反相器INV的输入端连接所述第二电容C2的一端。

所述微控制单元12用于实现数据采集、流程控制以及信号控制。进一步，所述微控制单元12用于控制所述第一通信单元11工作，用于向所述信号施加单元16提供所需频率的控制信号，用于采集所述电流检测单元15检测的电流互感器二次回路的负荷电流、所述自激振荡电路最小频率以及所述谐振单元17发生谐振时的振荡信号，并对采集的数据进行处理。在本实施例中，所述微控制单元12采用内部集成模数转换器的意法半导体公司的STM32F103集成电路。

在本实施例中，所述电流互感器二次回路监测模块还包括安全单元13。所述安全单元13与所述微控制单元12和所述第一通信单元11连接，在所述微控制单元12的控制下，对所述第一通信单元11与专变采集终端中的第二通信单元之间的通信进行身份认证和信息安全加密。在本实施例中，所述安全单元13采用国家电网公司统一发行使用的嵌入式安全控制模块(ESAM，Embedded Secure Access Module)。

需要说明的是，本实施例的电流互感器二次回路监测模块可以由外部供电，也可以由专变采集终端供电。在本实施例中，所述电流互感器二次回路监测模块还包括电源单元，所述电源单元用于将专变采集终端提供的电源转换为电流互感器二次回路监测模块的供电电源。

以下对本实施例的电流互感器二次回路监测模块的工作原理进行说明，图2是本实施例的电流互感器二次回路监测模块的工作流程示意图，包括：

步骤S1，所述电流检测单元15检测电流互感器二次回路的负荷电流。具体地，电流互感器二次回路工作时，所述第一电流互感器CT1对电流互感器二次回路的负荷电流进行感应，所述采样电阻R1将所述第一电流互感器CT1感应到的电流转换为对应的电压，并由所述微控制单元12内部集成的模数转换器对该电压进行转换。

步骤S2，所述微控制单元12判断电流互感器二次回路的负荷电流是否低于预设电流阈值。所述预设电流阈值预先存储在所述微控制单元12中，其设置得越小，监测结果越准确，但对各个电路元器件的工作精度要求越高。所述预设电流阈值可根据实际需求进行设置，在本实施例中，所述预设电流阈值设置为工频电流的百分之一。

若电流互感器二次回路的负荷电流不低于预设电流阈值，执行步骤S31～S34。

步骤S31，启动所述自激振荡电路。具体地，开启所述反相器INV的工作电源。

步骤S32，所述微控制单元12判断所述自激振荡电路的最小频率是否发生变化。具体地，由所述第二电流互感器CT2、所述第一电容C1、所述第二电容C2以及所述反相器INV构成的自激振荡电路，振荡频率与所述第二电流互感器CT2的次级线圈的电感量、所述第一电容C1的电容量以及所述第二电容C2的电容量有关，而所述第二电流互感器CT2的次级线圈的电感量又与工频电流的幅值有关。当工频电流幅值升高时，由于所述第二电流互感器CT2的铁芯材料进入饱和状态，所述第二电流互感器CT2的次级线圈的电感量会降低，自激振荡电路的振荡频率会随着工频电流幅值升高而增大。因此，自激振荡电路的振荡频率随着工频电流的变化呈现周期性的增大和减小。在工频电流过零点处，所述第二电流互感器CT2的次级线圈的电感量最大，自激振荡电路的振荡频率最小。当电流互感器二次回路被短接时，自激振荡电路的最小振荡频率会升高，因此，自激振荡电路的最小频率是否变化可以作为电流互感器二次回路是否被短路的判断依据。

若所述自激振荡电路的最小频率发生变化，执行步骤S33，确定电流互感器二次回路短路、电流互感器一次回路短路或者计量用电流互感器发生磁饱和。若所述自激振荡电路的最小频率未发生变化，执行步骤S34，确定电流互感器二次回路工作正常。

若电流互感器二次回路的负荷电流低于预设电流阈值，执行步骤S41～S46。

步骤S41，所述信号施加单元16向电流互感器二次回路注入高频电压信号。具体地，由所述微控制单元12产生所需频率的控制信号，所述驱动电路14对该控制信号进行驱动放大获得高频电压信号，通过所述电压互感器PT的感应，所述高频电压信号被注入电流互感器二次回路中。

步骤S42，所述微控制单元12判断是否从所述谐振单元检测到振荡信号。具体地，在电流互感器二次回路注入高频电压信号时，由于注入的高频电压信号的频率与所述谐振单元17的谐振频率相同，若电流互感器二次回路开路未发生开路，所述谐振单元17将呈现谐振状态，所述高频电压信号被谐振放大获得振荡信号，该振荡信号的幅值被所述微控制单元12采集。

若未从所述谐振单元17检测到振荡信号，执行步骤S43，确定电流互感器二次回路开路。若从所述谐振单元17检测到振荡信号，执行步骤S44～S46。

步骤S44，所述微控制单元12判断振荡信号的幅值是否高于预设电压阈值。具体地，所述预设电压阈值根据电流互感器二次回路正常时所述振荡信号的幅值进行设置且预先存储在所述微控制单元12中。

若振荡信号的幅值高于预设电压阈值，执行步骤S45，确定电流互感器二次回路短路。若振荡信号的幅值不高于预设电压阈值，执行步骤S46，确定电流互感器二次回路工作正常。

需要说明的是，所述微控制单元12最终将上述监测结果通过所述第一通信单元11上报至专变采集终端中的第二通信单元，为现场计量设备检修、用电检查提供数据支持，辅助检查人员判断是否存在窃电行为。

本实施例提供的电流互感器二次回路监测模块可作为单独的模块使用，也可以直接安装于专变采集终端内部，取代专变采集终端中的电流互感器。基于此，本实施例还提供一种专变采集终端，所述专变采集终端包括第二通信单元和上述电流互感器二次回路监测模块，所述第二通信单元用于与所述第一通信单元进行通信，用于接收所述电流互感器二次回路监测模的监测结果。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。