一種基于無線傳輸的鉗形電流互感器設計及運用

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(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

1 引言

隨著社會用電量逐年增加，受利益驅使,竊電現象也日益嚴重，目前竊電方式已經呈現出由野蠻竊電發展到設備智能化、手段專業化、行為隱蔽化、實施規模化的有組織、有策略的高科技竊電，且竊電的表現形式層出不窮，給用電檢查帶來的前所未有的挑戰。鉗形電流表作為電流采樣設備，用電稽查部門在用電現場檢查過程中需要經常使用，然而現有的鉗形電流表存在著功能單一、檢測電流范圍小及不能實現高壓線路電流采集等缺點，相較于目前系統化、智能化的防竊電檢查需求相差甚遠，為解決上述問題，本文介紹了一種基于無線傳輸的鉗形電流互感器的設計及結合其配套的智能終端在用電檢查中的運用。該無線鉗形電流互感器具有電流采集范圍寬、精度高、功耗低、無線傳輸距離遠、可同時運用于高壓和低壓線路電流采集等特點，結合智能終端中的各類運算，可方便的運用于用電稽查人員的用電現場檢查，在擴大了用電檢查范圍的同時，也進一步提高了用電稽查的智能化和自動化水平。

2 無線鉗形電流互感器設計原理

無線鉗形電流互感器設計需求在于可方便的高精度測量高、低線路不同電流規格的線路電流，另外考慮到高壓側電流測量時不能采用有線連接方式進行數據輸出，故而總體設計架構為：結構采用一種可方便接入被測線路的結構形式，電流傳感器采用適應于寬電流范圍采集的傳感器部件，電流采樣運算單元采用高精度的采樣和計算單元，通訊部分采用無線射頻通訊方式，電源采用電池供電。

根據上述設計架構思想，無線鉗形電流互感器硬件設計主要由鉗形電流傳感器，采樣運算單元，CPU單元，存儲單元及無線射頻模塊等部分組成。根據現場運用需要，無線鉗形電流互感器設計的性能指標如下：電流采樣范圍0～500A，支持1.2倍的過電流采樣，電流采樣精度0.5S級，無線鉗形電流互感器無線通訊距離在可視范圍內不小于50m，配合高壓絕緣桿使用，可測量高壓線路的電流數據。

圖1 無線鉗形電流互感器主要功能模塊框圖

2.1 鉗形電流傳感器

鉗形電流傳感器采用便攜式鉗形設計，自動開合結構，前推鉗口張開，鉗住被測導線，后拉鉗口張開，離開被測導線，鉗口尺寸：直徑33mm，該鉗形電流傳感器具有電流測量范圍寬、電流采集精度高，電流采集分辨率高等特點，具體參數如下：電流測量范圍0～500A，精度0.2級，分辨率：0.01mA。

2.2 采樣運算單元

采樣運算單元由采樣電路和計量芯片組成，采樣時將鉗形電流傳感器采集的電流信號通過采樣電阻轉換為電壓信號，輸入給計量芯片，同時調用校準參數，得出電流有效值。設計采用的計量芯片是上海鉅泉光電科技專為電能計量設計的一款帶SPI的單相多功能計量芯片,芯片型號ATT7053AU，芯片電壓工作范圍3.0～3.6V，全速運行功耗小于3mA，電流有效值測量在300∶1動態范圍內誤差為0.1%，3000∶1的動態范圍內誤差為0.5%；采樣電阻使用參數規格為±0.1%、25PPM/℃的高精度電阻。為保證該鉗形電流互感器在整個測量范圍內的測量精度，電流校準時采用分段校準法，該方法將整個電流采集范圍分為13段分別校準，對不同電流段的原始采樣值進行對應的增益補償。

2.3 主控及存儲單元

主控單元負責整個無線鉗形電流互感器的電流采集，數據存儲與無線交互的控制，CPU采用MICROCHIP公司的PIC24FJ32GA006，該芯片為一款16位單片機，具有豐富的外設功能集和增強的計算性能。該單片機工作電壓范圍為2.0～3.6V，具有32K字節程序存儲器，8K字節的SRAM。

圖2 采樣運算單元電氣原理圖

存儲器采用ST公司的M24C04-W，工作電源2.5～5.5V，存儲容量：4K (512×8)。

圖3 主控及存儲單元電氣原理圖

2.4 無線射頻單元

無線射頻單元采用NORDIC公司型號為nRF905的無線收發芯片，該無線芯片具有工作穩定性高，可靠性高等特點，可工作在433/868/915MHz三個頻段，采用高抗干擾的GFSK調試方式，內置完整的通信協議和CRC，最大發生功率+10dBm，可保證無線傳輸距離在可視范圍內不小于50m。

圖4 無線射頻單元電氣原理圖

3 無線鉗形電流互感器在用電現場檢查中的運用

無線鉗形電流互感器配置手持式智能終端，智能終端通過內置的無線射頻模塊實時與無線鉗形電流互感器進行數據交互，得到無線鉗形電流互感器采集的電流數據，手持智能終端自帶適用于低壓回路的電流采集功能，通過對上述兩種電流采集功能采集的電流數據的運用和數據運算，可實現對線路高、低壓線路實時電流數據的采集，高、低壓計量回路CT的變比測量，高、低壓計量回路CT變比的核對，實際使用電能與計量電能比對等功能，完成對用電現場的多功能、多方位的檢查，該些運用可解決傳統鉗形電流表功能單一，不能實現智能自動化運算，不能實現高壓側電流采集等缺點。

圖5 無線鉗形電流互感器與手持式智能終端通訊方式

3.1 高、低壓側電流采集

無線鉗形電流互感器配置高壓絕緣桿，通過絕緣桿可將無線鉗形電流互感器直接卡接于高壓線路或需要要測量的低壓線路上，實現線路電流的采集和存儲，智能終端通過射頻無線讀取無線鉗形電流互感器采集的電流數據，完成線路實時電流數據的采集和顯示。

3.2 高、低壓計量回路CT的變比測量

該方法用于現場檢查時解決計量CT上銘牌標識不清的問題。無線鉗形電流互感器卡接于計量回路CT的一次側，智能終端自帶的電流鉗卡接于計量回路CT的二次側，智能終端同時開啟兩回路的電流采集功能，采集無線鉗形電流互感器多個連續的電流值(Iw1、Iw2，…，Iwn)及終端自帶的低壓電流采集功能的連續多個電流值(Iz1、Iz2,…,Izn),并對采集的電流數據進行多點平均處理后，計算出CT變比，計算公式如下：

(1)

式中：CT為計量電流互感器變比；

3.3 高、低壓計量回路CT變比的核對

該方法可實現對高、低壓計量回路CT變比的核對，該方法可以檢查到竊電用戶通過更換大變比計量CT,保留小變比計量CT標識的竊電行為。無線鉗形電流互感器卡接于計量回路CT的一次側，智能終端自帶的電流鉗卡接于計量回路CT的二次側，智能終端同時開啟兩回路的電流采集功能，采集無線鉗形電流互感器多個連續的電流值(Iw1、Iw2，…，Iwn)及采集終端自帶的低壓電流采集功能的連續多個電流值(Iz1、Iz2，…，Izn),并對采集的電流數據進行多點平均處理后，通過公式(1)計算得出CT變比，通過預設定在終端內的CT銘牌標識上的變比CT1及誤差允許范圍k1，核對計量CT的變比是否正常。公式如下：

(2)

當k≤k1時，終端自動判定為CT變比正常；當k>k1，終端自動判定為CT變比異常。

3.4 實際使用電能與計量電能比對功能核對

該方法通過采集變壓器高壓側進線端的用電數據及電表實際計量的用電數據進行比對，準確的分析出用戶實際使用的電能與計量表計量的電能關系，該方法直接使用高壓進線端的數據與電表數據比對，可計算出所有漏計量的電量信息，通過此方法可準確判定現場用電或計量是否存在異常。

使用時通過無線鉗形電流互感器采集高壓側的電流數據，運算出高壓側的視在功率S1，通過智能終端的紅外或485口采集計量總表計量的視在功率S2，終端對該兩組數據進行運算及分析，檢測并判斷用戶用電現場計量是否存在異常。

S1的計算公式如下：

(3)

式中：UA、UB、UC為變壓器一次側各相線電壓，使用于10kV線路，UA=UB=UC=10kV；IA、IB、IC為變壓器一次側各相相電流；

S2的計算公式如下：

(4)

PT為總表的電壓互感器變比；

CT為總表的電流互感器變比。

實際運用時，通過三只無線鉗形電流互感器采集高壓側三相電流，該采集方法采用定時平均法，由智能終端通過廣播命令開啟和定時關閉無線鉗形電流互感器的電流采樣，實現三相的同步啟動采樣和結束采樣，每只無線鉗形電流互感器在收到結束采樣的命令后對采集的電流值進行平均處理，得到三相電流值，終端分別讀取該三相電流值，智能終端在開啟和關閉無線鉗形電流互感器的電流采樣同時，開啟和關閉電能表數據采集通道，采集電能表計量的視在功率，結束采樣后對采集的數據值進行平均處理，通過上述公式(3)和(4)分別計算出S和S2。

通過預設定在終端內的誤差允許范圍k2，核對現場計量是否正常。公式如下：

(4)

當k≤k2時，終端自動判定現場計量正常；當k>k2，終端自動判定為現場計量存在異常。

4 結論

無線鉗形電流互感器的設計實現了一種可以運用于高壓線路和低壓線路的電流采集，尤其實現了一種對高壓線路電流采集的簡便方法，無線鉗形電流互感器結合手持式智能終端的運用，實現了營銷稽查人員在用電現場的多功能智能檢測，擴大了現場檢查人員對用電檢查的范圍，突破了傳統檢查只局限于低壓側及低壓設備的檢查，為高壓側計量設備的檢查提供了一種簡便有效的手段。

該無線鉗形電流互感器的設計和運用，為后期實現高壓側三相電流、三相電場的同步采樣，提供了基礎的設備設計構想，積累了一定的理論基礎，后期深化運用中，通過對無線鉗形電流互感器的采樣電路及采樣方式的修改，可實現對電流和電場的同步波形采樣，直觀的展示出電流和電場的波形曲線，并計算出三相相位偏差，零序電流和電場，另外還可增加對線路溫度的采集，該類型的采樣設備將為配電運檢維修部門提供一種用于運維檢修的智能設備。