一种基于无线传输的钳形电流互感器设计及运用

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(深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001)

1 引言

随着社会用电量逐年增加，受利益驱使,窃电现象也日益严重，目前窃电方式已经呈现出由野蛮窃电发展到设备智能化、手段专业化、行为隐蔽化、实施规模化的有组织、有策略的高科技窃电，且窃电的表现形式层出不穷，给用电检查带来的前所未有的挑战。钳形电流表作为电流采样设备，用电稽查部门在用电现场检查过程中需要经常使用，然而现有的钳形电流表存在着功能单一、检测电流范围小及不能实现高压线路电流采集等缺点，相较于目前系统化、智能化的防窃电检查需求相差甚远，为解决上述问题，本文介绍了一种基于无线传输的钳形电流互感器的设计及结合其配套的智能终端在用电检查中的运用。该无线钳形电流互感器具有电流采集范围宽、精度高、功耗低、无线传输距离远、可同时运用于高压和低压线路电流采集等特点，结合智能终端中的各类运算，可方便的运用于用电稽查人员的用电现场检查，在扩大了用电检查范围的同时，也进一步提高了用电稽查的智能化和自动化水平。

2 无线钳形电流互感器设计原理

无线钳形电流互感器设计需求在于可方便的高精度测量高、低线路不同电流规格的线路电流，另外考虑到高压侧电流测量时不能采用有线连接方式进行数据输出，故而总体设计架构为：结构采用一种可方便接入被测线路的结构形式，电流传感器采用适应于宽电流范围采集的传感器部件，电流采样运算单元采用高精度的采样和计算单元，通讯部分采用无线射频通讯方式，电源采用电池供电。

根据上述设计架构思想，无线钳形电流互感器硬件设计主要由钳形电流传感器，采样运算单元，CPU单元，存储单元及无线射频模块等部分组成。根据现场运用需要，无线钳形电流互感器设计的性能指标如下：电流采样范围0～500A，支持1.2倍的过电流采样，电流采样精度0.5S级，无线钳形电流互感器无线通讯距离在可视范围内不小于50m，配合高压绝缘杆使用，可测量高压线路的电流数据。

图1 无线钳形电流互感器主要功能模块框图

2.1 钳形电流传感器

钳形电流传感器采用便携式钳形设计，自动开合结构，前推钳口张开，钳住被测导线，后拉钳口张开，离开被测导线，钳口尺寸：直径33mm，该钳形电流传感器具有电流测量范围宽、电流采集精度高，电流采集分辨率高等特点，具体参数如下：电流测量范围0～500A，精度0.2级，分辨率：0.01mA。

2.2 采样运算单元

采样运算单元由采样电路和计量芯片组成，采样时将钳形电流传感器采集的电流信号通过采样电阻转换为电压信号，输入给计量芯片，同时调用校准参数，得出电流有效值。设计采用的计量芯片是上海钜泉光电科技专为电能计量设计的一款带SPI的单相多功能计量芯片,芯片型号ATT7053AU，芯片电压工作范围3.0～3.6V，全速运行功耗小于3mA，电流有效值测量在300∶1动态范围内误差为0.1%，3000∶1的动态范围内误差为0.5%；采样电阻使用参数规格为±0.1%、25PPM/℃的高精度电阻。为保证该钳形电流互感器在整个测量范围内的测量精度，电流校准时采用分段校准法，该方法将整个电流采集范围分为13段分别校准，对不同电流段的原始采样值进行对应的增益补偿。

2.3 主控及存储单元

主控单元负责整个无线钳形电流互感器的电流采集，数据存储与无线交互的控制，CPU采用MICROCHIP公司的PIC24FJ32GA006，该芯片为一款16位单片机，具有丰富的外设功能集和增强的计算性能。该单片机工作电压范围为2.0～3.6V，具有32K字节程序存储器，8K字节的SRAM。

图2 采样运算单元电气原理图

存储器采用ST公司的M24C04-W，工作电源2.5～5.5V，存储容量：4K (512×8)。

图3 主控及存储单元电气原理图

2.4 无线射频单元

无线射频单元采用NORDIC公司型号为nRF905的无线收发芯片，该无线芯片具有工作稳定性高，可靠性高等特点，可工作在433/868/915MHz三个频段，采用高抗干扰的GFSK调试方式，内置完整的通信协议和CRC，最大发生功率+10dBm，可保证无线传输距离在可视范围内不小于50m。

图4 无线射频单元电气原理图

3 无线钳形电流互感器在用电现场检查中的运用

无线钳形电流互感器配置手持式智能终端，智能终端通过内置的无线射频模块实时与无线钳形电流互感器进行数据交互，得到无线钳形电流互感器采集的电流数据，手持智能终端自带适用于低压回路的电流采集功能，通过对上述两种电流采集功能采集的电流数据的运用和数据运算，可实现对线路高、低压线路实时电流数据的采集，高、低压计量回路CT的变比测量，高、低压计量回路CT变比的核对，实际使用电能与计量电能比对等功能，完成对用电现场的多功能、多方位的检查，该些运用可解决传统钳形电流表功能单一，不能实现智能自动化运算，不能实现高压侧电流采集等缺点。

图5 无线钳形电流互感器与手持式智能终端通讯方式

3.1 高、低压侧电流采集

无线钳形电流互感器配置高压绝缘杆，通过绝缘杆可将无线钳形电流互感器直接卡接于高压线路或需要要测量的低压线路上，实现线路电流的采集和存储，智能终端通过射频无线读取无线钳形电流互感器采集的电流数据，完成线路实时电流数据的采集和显示。

3.2 高、低压计量回路CT的变比测量

该方法用于现场检查时解决计量CT上铭牌标识不清的问题。无线钳形电流互感器卡接于计量回路CT的一次侧，智能终端自带的电流钳卡接于计量回路CT的二次侧，智能终端同时开启两回路的电流采集功能，采集无线钳形电流互感器多个连续的电流值(Iw1、Iw2，…，Iwn)及终端自带的低压电流采集功能的连续多个电流值(Iz1、Iz2,…,Izn),并对采集的电流数据进行多点平均处理后，计算出CT变比，计算公式如下：

(1)

式中：CT为计量电流互感器变比；

3.3 高、低压计量回路CT变比的核对

该方法可实现对高、低压计量回路CT变比的核对，该方法可以检查到窃电用户通过更换大变比计量CT,保留小变比计量CT标识的窃电行为。无线钳形电流互感器卡接于计量回路CT的一次侧，智能终端自带的电流钳卡接于计量回路CT的二次侧，智能终端同时开启两回路的电流采集功能，采集无线钳形电流互感器多个连续的电流值(Iw1、Iw2，…，Iwn)及采集终端自带的低压电流采集功能的连续多个电流值(Iz1、Iz2，…，Izn),并对采集的电流数据进行多点平均处理后，通过公式(1)计算得出CT变比，通过预设定在终端内的CT铭牌标识上的变比CT1及误差允许范围k1，核对计量CT的变比是否正常。公式如下：

(2)

当k≤k1时，终端自动判定为CT变比正常；当k>k1，终端自动判定为CT变比异常。

3.4 实际使用电能与计量电能比对功能核对

该方法通过采集变压器高压侧进线端的用电数据及电表实际计量的用电数据进行比对，准确的分析出用户实际使用的电能与计量表计量的电能关系，该方法直接使用高压进线端的数据与电表数据比对，可计算出所有漏计量的电量信息，通过此方法可准确判定现场用电或计量是否存在异常。

使用时通过无线钳形电流互感器采集高压侧的电流数据，运算出高压侧的视在功率S1，通过智能终端的红外或485口采集计量总表计量的视在功率S2，终端对该两组数据进行运算及分析，检测并判断用户用电现场计量是否存在异常。

S1的计算公式如下：

(3)

式中：UA、UB、UC为变压器一次侧各相线电压，使用于10kV线路，UA=UB=UC=10kV；IA、IB、IC为变压器一次侧各相相电流；

S2的计算公式如下：

(4)

PT为总表的电压互感器变比；

CT为总表的电流互感器变比。

实际运用时，通过三只无线钳形电流互感器采集高压侧三相电流，该采集方法采用定时平均法，由智能终端通过广播命令开启和定时关闭无线钳形电流互感器的电流采样，实现三相的同步启动采样和结束采样，每只无线钳形电流互感器在收到结束采样的命令后对采集的电流值进行平均处理，得到三相电流值，终端分别读取该三相电流值，智能终端在开启和关闭无线钳形电流互感器的电流采样同时，开启和关闭电能表数据采集通道，采集电能表计量的视在功率，结束采样后对采集的数据值进行平均处理，通过上述公式(3)和(4)分别计算出S和S2。

通过预设定在终端内的误差允许范围k2，核对现场计量是否正常。公式如下：

(4)

当k≤k2时，终端自动判定现场计量正常；当k>k2，终端自动判定为现场计量存在异常。

4 结论

无线钳形电流互感器的设计实现了一种可以运用于高压线路和低压线路的电流采集，尤其实现了一种对高压线路电流采集的简便方法，无线钳形电流互感器结合手持式智能终端的运用，实现了营销稽查人员在用电现场的多功能智能检测，扩大了现场检查人员对用电检查的范围，突破了传统检查只局限于低压侧及低压设备的检查，为高压侧计量设备的检查提供了一种简便有效的手段。

该无线钳形电流互感器的设计和运用，为后期实现高压侧三相电流、三相电场的同步采样，提供了基础的设备设计构想，积累了一定的理论基础，后期深化运用中，通过对无线钳形电流互感器的采样电路及采样方式的修改，可实现对电流和电场的同步波形采样，直观的展示出电流和电场的波形曲线，并计算出三相相位偏差，零序电流和电场，另外还可增加对线路温度的采集，该类型的采样设备将为配电运检维修部门提供一种用于运维检修的智能设备。