阅读说明：本技术 一种基于pwm激励和定频分析的ct二次回路检测方法 (CT secondary circuit detection method based on PWM excitation and fixed frequency analysis ) 是由 葛玉磊 苏超 曹笑凡 孟海彦 刘腾昇 李斌 于 2021-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法。该检测方法主要用于智能用电管理类终端上,检测系统包括与外部被检电流互感器串接的内部电流互感器、开关激励单元、信号采集单元、微型控制芯片；检测方法通过开关激励单元对检测系统内部的电流互感器注入一固定频率的PWM电压波,以反馈到信号采集单元的电压波形作为分析判断依据,控制芯片采用AD采样、快速傅里叶变换和定频分析技术,准确提取到所需频率的电压幅值,并与预定的标准电压值进行比较,以判断外部电流互感器二次回路的所处状态,快速发现外部电流互感器二次回路的短路、开路异常情况。(The invention discloses a CT secondary circuit detection method based on PWM excitation and fixed frequency analysis. The detection method is mainly used for intelligent power management terminals, and the detection system comprises an internal current transformer, a switch excitation unit, a signal acquisition unit and a micro control chip, wherein the internal current transformer, the switch excitation unit, the signal acquisition unit and the micro control chip are connected with an external current transformer to be detected in series; the detection method comprises the steps that a PWM voltage wave with fixed frequency is injected into a current transformer in a detection system through a switch excitation unit, the voltage wave fed back to a signal acquisition unit is used as an analysis and judgment basis, a control chip accurately extracts a voltage amplitude with required frequency by adopting AD sampling, fast Fourier transform and fixed frequency analysis technologies and compares the voltage amplitude with a preset standard voltage value to judge the state of a secondary circuit of the external current transformer, and the abnormal conditions of short circuit and open circuit of the secondary circuit of the external current transformer are quickly found.)

一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法

技术领域

本发明属于配电网自动化领域，涉及利用电网设备工作产生的电压频域特性识别外部电流互感器二次回路状态，具体地说是一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法。

背景技术

电力系统台区变压器总计量主要由电流互感器、二次回路、智能用电管理类终端等构成，由于客观误接或人为主观窃电原因而导致的电流互感器二次回路出现短接、开路的情况时有发生，最终会导致计量的电量小于实际用电的问题，对国家和电网公司产生巨大的经济损失。人工对电流互感器二次回路状态巡视检查的方式效率低下，耗费时间、人力巨大，不便实际开展；因此，通过就台区已有的智能用电管理类终端增加对外部电流互感器二次回路状态的自动检测功能势在必行。

因此，需要寻找一种能够应用到智能用电管理类终端上，实现对外部电流互感器二次回路短路、开路、正常三状态精准识别的检测方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法，该方法首先通过开关激励电路将一固定频率的PWM电压波注入到电流互感器上，其次对电流互感器二次侧的激励电压进行采样，通过FFT技术和定频分析法准确提取到所注入频点的电压分量，最后进行主控计算，通过比较计算后的电压值与预定标准电压值的关系，判断出外部电流互感器二次回路所处的状态。

为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

步骤一，开关激励单元通过开关管周期通断的方式，将一固定频率为f的PWM电压波注入到内部电流互感器，在外部电流互感器的二次回路上产生感应电流，并进一步感应反馈到内部电流互感器另一磁环线圈的二次侧上；

步骤二，信号采样单元实时检测内部电流互感器二次侧上反馈的电压信号，并生成时域电压幅值波形；

步骤三，控制芯片利用快速傅里叶变换FFT技术将上述时域电压幅值波形转换为频域电压幅值波形；

步骤四，控制芯片对上述频域电压幅值波形连续取多个整数倍于所注入PWM波f+L频率处的电压值(其中L为滞后频率值，一般由多次实验积累得出)，并计算其算数平均值；

步骤五，通过比较计算的平均值电压与预定的标准值电压的关系，以判断外部电流互感器二次回路所处的状态。

本发明通过PWM激励的方式在电流互感器二次回路中产生特定频率的电流信号，通过定频分析方法确定外部电流互感器二次回路的状态。

进一步地，步骤一中，通过MOS开关管在智能用电管理类终端内部的电流互感器上注入频率为f、占空比为d、幅值为a的PWM电压波形，所注入的激励在外部电流互感器的二次回路上产生感应电流，并进一步感应反馈到内部电流互感器另一磁环线圈的二次侧上；

进一步地，步骤二中，信号采样单元在微型控制器MCU的控制下，以多倍于所注入PWM波的频率，采集内部电流互感器二次侧上反馈的电压信号，并生成时域电压幅值波形W_t；

进一步地，步骤三中，微型控制芯片MCU利用快速傅里叶变换FFT技术将上述时域电压幅值波形W_t转换为频域电压幅值波形W_f；

其中，快速傅里叶变换FFT算法将时域电压幅值转换为频域电压幅值的计算公式为：

其中，W(f)表示频域电压幅值，w(t)表示时域电压幅值，f表示所注入PWM波的频率，t₀为表示起始采样时间，t表示结束采样时间，dt表示采样时间间隔；

进一步地，步骤四中，微型控制芯片MCU对上述频域电压幅值波形W_f连续取n个整数倍于所注入PWM波f+L频率处的电压值U₁、U₂、U₃、……、U_n(其中L为滞后频率值，一般由多次实验积累得出)，并计算其算数平均值U_a；

进一步地，步骤五中，通过比较步骤四中得出的平均值电压U_a与预定的标准值电压U_s的关系，以判断外部电流互感器二次回路所处的状态；经比较，若算数平均值U_a是10倍以上高于标准值U_s，则外部电流互感器二次回路为短路状态；若标准值U_s是10倍以上高于算数平均值U_a，则外部电流互感器二次回路为开路状态；若以上两种情况均不满足，则外部电流互感器二次回路为正常连接状态；

其中，标准值电压U_s取的是目前配电网自动化领域台区常用外部电流互感器在二次回路正常连接状态下的采样电压典型值。

本发明为一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法，通过PWM激励的方式在电流互感器二次回路中产生特定频率的电流信号，通过定频分析方法确定外部电流互感器二次回路的状态。此方法实现简单、判断准确、电网友好，只需要注入稳定频率的PWM电压波就能通过定频分析判断出电流互感器二次回路的状态，不影响用户设备；同时，可以对数据进行边缘计算，仅将结果上传至主站。

附图说明

图1为本发明一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法的流程图；

图2为本发明一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法的结构图；

图3为本发明控制芯片MCU对采样电压快速傅里叶变换后的电压幅值频谱图(外部电流互感器二次回路处于正常连接状态)；

图4为本发明控制芯片MCU对采样电压快速傅里叶变换后的电压幅值频谱图(外部电流互感器二次回路处于短路状态)。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明示例性实施方式，对本发明实施例中的技术方案作进一步地描述，所描述的示例仅仅是本发明一部分的实施案例，而不是全部的实施案例。以下内容仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

除非另有说明，此处使用的术语对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。

参照图1，一种基于PWM激励和定频分析的CT二次回路检测方法，包括以下步骤：

(1)采用瑞萨R5系列微型控制芯片控制N-MOS开关管的通断，为智能用电管理类终端内部电流互感器的二次侧线圈上注入一固定频率f＝1KHz、占空比为18％、幅值为3.3V的PWM电压波，为考虑上述MOS管的保护，可在MOS管两侧并入一TVS二极管，防止电流互感器上产生的大电压将MOS管击穿。所注入的激励在外部电流互感器的二次回路上产生感应电流，并进一步感应反馈到内部电流互感器另一磁环线圈的二次侧上。

(2)如图2所示的双二极管信号采样单元在微型控制器MCU的控制下，以5倍于所注入PWM波的频率，即5f＝5KHz，采集内部电流互感器二次侧上所反馈的电压，并生成时域电压幅值波形W_t；信号采样单元内的采样电阻为300Ω，与采样电阻并联的二极管起到限压作用，使得采集的电压波形尽量完整。

(3)微型控制芯片MCU利用快速傅里叶变换FFT技术将上述时域电压幅值波形W_t转换为频域电压幅值波形W_f，如图3是控制芯片MCU对采样电压快速傅里叶变换后的电压幅值频谱图(外部电流互感器二次回路处于正常连接状态)，图4是控制芯片MCU对采样电压快速傅里叶变换后的电压幅值频谱图(外部电流互感器二次回路处于短路状态)，由上述两图可见在外部电流互感器二次回路处于短路状态下(1000+50)Hz和(2000+50)Hz处的电压幅值明显10倍以上高于在外部电流互感器二次回路处于正常连接状态下(1000+50)Hz和(2000+50)Hz处的电压幅值；在外部电流互感器二次回路处于开路状态时，(1000+50)Hz和(2000+50)Hz处的电压幅值几乎为0；

其中，快速傅里叶变换FFT算法将时域电压幅值转换为频域电压幅值的计算公式为：

其中，W(f)表示频域电压幅值，w(t)表示时域电压幅值，f表示所注入PWM波的频率，t₀为表示起始采样时间，t表示结束采样时间，dt表示采样时间间隔。

(4)微型控制芯片MCU对上述频域电压幅值波形W_f连续取100个整数倍于所注入PWM波频率f+L处的电压值U₁、U₂、U₃、……、U₁₀₀(其中L为滞后频率值，一般由多次实验积累得出,此处L＝50Hz)，并计算其算数平均值U_a。

(5)通过比较(4)中得出的平均值电压U_a与预定的标准值电压U_s的关系，以判断外部电流互感器二次回路所处的状态；经比较，若算数平均值U_a是10倍以上高于标准值U_s，则外部电流互感器二次回路为短路状态；若标准值U_s是10倍以上高于算数平均值U_a，则外部电流互感器二次回路为开路状态；若以上两种情况均不满足，则外部电流互感器二次回路为正常连接状态；

其中，标准值电压U_s取的是目前配电网自动化领域台区常用外部电流互感器在二次回路正常连接状态下的采样电压典型值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。