一种三相智能电表掉零线检测算法研究

李军 刘维

（威胜集团有限公司海外表计事业部 湖南省长沙市 410000）

1 引言

在城市电网三相四线制电流输送模式中，零线作为保护三线电流正常运行的接地端，一旦发生故障后需要立即检修和排除故障，使城市电网尽快重新恢复供电状态[1]。我国主要采用三相四线制的电流输送模式[2]，通常情况下在A/B/C三相电流之外还会外接一条接地零线，这条接地电线的意义就是为了避免三相电流出现某一相短路时或者三相电流无法达到平衡时电流也可以通过零线回流到大地，避免三相不平衡情况，给人生财产安全带来巨大威胁。

本文提出一种基于G3-PLC通信模块的三相智能电表掉零线检测算法，在不改变三相智能电表原有硬件设计和不增加硬件成本基础上，通过软件算法检测三相智能电表掉零线故障并进行故障事件记录且可通过G3-PLC通信实现HES对进行故障信息的发生和结束实时感知，在降低成本的同时大大提高了检测效率。

2 当前三相智能电表掉零线检测方法

三相智能电表的零线发生故障或掉落后会造成安全隐患，对人们正常生活秩序和工作便利带来十分严重的影响[3]，所以三相智能电表需要时刻注意维护零线的正常工作和运行。传统的三相智能电表检测零线是否出现脱落，是否存在连接异常或人为拔掉。有两种方法，一种是通过人工到电表安装现场，用专用测试设备检测零线电流。另一种方法为，更改电表硬件设计，在智能电表内部增加零线电流检测传感器和相应的检测电路来识别零线电流。

目前现有的两种检测方法都有各自的缺点。第一种检测方法，电表不能自动感知识别需要人工干预，存在对故障处理响应时间上的滞后性，且效率低下，从根本上达不到及时发现故障及时处理故障的要求。第二种检测方法，能实现电表自动识别故障但需要在智能电表内部增加零线电流检测传感器器和相应的检测电路，增加了电表的成本。

3 基于G3-PLC通信的三相智能电表掉零线检测原理

3.1 G3-PLC通信模块对三相智能电表负载电路的改变

目前现有的三相智能电表不具备掉零线检测功能的，其A/B/C相电路图如图1所示。

当三相智能电表接上G3-PLC通信模块时，因为G3-PLC模块需要采集电力信号将耦合到三相智能电表的A相电路上，所以搭载G3-PLC模块的三相智能表的A/B/C相电路图将变为如图2所示。

通过上面电路原理图，可知G3-PLC模块负载加载在三相智能电表的A相上，当三相智能电表没发生掉零线时由于零线回流的作用将使电表的三相负载平衡。当三相智能表发生掉零线时，由于G3-PLC模块耦合在电表的A相上，A相上将具有负载，三相智能表将发生三相负载不平衡现象。

3.2 三相负载不平衡原理

在正常情况下，三相四线制电源中性点“O”，与三相智能电表的中性点0，之间没有电位差如图3。若三相智能电表零线中断后，电表的三相负载实际形成了中点不接零线的星形接法（Y），这时就会出现不对称星形接法的中性点0偏移现象[4]如图4，即三相负载的线电压相等，但相电压不相等。三相负载差别越大，0的偏移越大，相电压差别也越大，负载大的相电压小，而负载小的相电压大。三相智能电表G3-PLC模块负载加载在A相上,较其他两相大，所以当发生掉零线时会发生相电压UA电压变低,相电压UB 、相电压UC电压变高。

表1：零线中断时各分相相电压值情况

表2：零线中断且B相电压中断情况

表3：零线中断且C相电压中断情况

表4：零线中断且A相电压中断情况

表5：零线中断且三相上负载5A电流情况

3.3 实验数据

实际抽取5台样表，进行实验，所得数据结果如表1-表5所示。

4 掉零线检测算法实现

通过实验得出以下掉零线软件检测算法，算法包括以下几个步骤：

图1：电路图

图2：电路原理图

图3

图4

图5：流程图

步骤一：电表上电初始化，并将掉零线标志清零。

步骤二：电表计量单元每秒采样计算A,B,C各相实时电压值及Ub和Uc，Uc和Ua的夹角φbc，φca值。

步骤三：电表CPU单元软件系统中的秒任务，每秒对掉零线标志进行检查。如掉零线标志没有置位表明当前电表没有发生掉零线状态，程序进入步骤四掉零线发生判断。如掉零线标志置位表明当前电表已经发生掉零线，程序进入步骤五掉零线结束判断。

步骤四：掉零线发生分两种情况，各情况下的判断依据如下：

电表A,B,C三相电压都有的情况下判断条件如下：

（1）Ua>5V&&Ub>5V&&Uc>5V

（2）Ub和Uc之间的夹角φbc小于110°|| Uc和Ua之间夹角φca大于250°

（3）(100%>电压不平率>95%)&&(Ub>120%Un)&&(Uc>120%Un)&&(10%Un>Ua>0)

此种情况以上三个条件同时满足时则认为电表掉零线事件发生，此时掉零线标志置位并记录掉零线故障事件。由于零线脱落将导致G3-PLC通信中断，HES端通过感知G3-PLC通信异常提示电表故障。

电表A相断电，B,C相有电的情况下判断条件如下：

（4）(Ua==0)&&(5V

此种情况下只需满足以上一个条件则认为电表掉零线事件发生，此时掉零线标志置位并记录掉零线故障事件。由于零线脱落将导致G3-PLC通信中断，HES端通过感知G3-PLC通信异常提示电表故障。

步骤五：掉零线结束判断：当电表当前状态不满足步骤四中的判断条件时，则认为掉零线事件结束。此时清掉零线标志位并通G3-PLC通信模块推送零线故障结束信息给HES系统。

整个检测算法实现流程图如图5所示。

5 结论

本文在深入分析G3-PLC通信模块对三相智能电表负载改变的规律基础上，提出了一种通过软件算法来实现对三相智能电表的掉零线检测。本文提出的算法较传统的三相智能电表掉零线检测方法实现了在不改变现有电表的硬件设计和增加硬件成本的基础上，通过软件检测算法实现了智能电表对掉零线故障的自动感知和故障发生、结束信息主站HES系统实时感知。