一种测量电能计量二次回路电抗的装置技术领域
本发明涉及一种测量电能计量二次回路电抗的装置，特别是一种测量电能CT计量
二次回路电抗的装置，属于电力系统测量领域。
背景技术
在新变电所投运过程中，变电所的电能计量二次回路，如果出现问题，将严重影响
全所设备的计量、直接影响远方对变电所设备的监控和判断。同时，二次回路出现问题将造
成保护装置的误动或拒动，严重危害了电网的安全运行，是继电保护工作中的一个薄弱环
节。
电流互感器，简称CT，是一次侧（输入侧）和二次侧（输出侧）之间的联络元件，由铁
芯、一次绕组、二次绕组、接线端子及绝缘支撑物等组成。CT的一次绕组的匝数较少，串接在
需要测量电流的线路中；二次绕组的匝数较多，串接在测量仪表或继电保护回路里。电能计
量二次回路是由CT或电压互感器、二次回路、接线设备和电能表构成。为了保证电能计量的
准确性，目前的规范文件提出了对CT的结构、变比信息等要求。但是在CT接入二次回路后，
其回路特性相对于单纯的CT已经发生了变化，仅由规范文件的指标来判断CT计量二次回路
的状态是不够的，需要包含整个二次回路的所有负载来研究，重点在于研究二次回路的电
抗（包括感抗与容抗）。电抗在电路中对交流电具有阻碍作用的特性，电抗的容性或感性可
以确定电能计量二次回路的特点。
目前采取的测量技术均为离线式测量，即将CT的一次侧和二次侧都断开，采用LCR
电桥接入二次回路的断点处，在一定的测试频率下测量其电抗值。这种技术存在两个方面
的缺点：1、因为该测量方式需要将LCR接入计量二次回路，必须将计量回路断开提供接入
点，而现场CT二次回路无法提供断点，因此该测量方式仅限于在实验室开展测试工作，无法
在现场使用。2、由电磁式互感器的原理可得，CT在其一次侧包含实际负荷电流时，其电抗是
随着一次侧电流信号频率的变化而变化的，在实际运行工况中，一次侧电流为50Hz周期性
电流负荷，电流互感器二次侧产生的感应电流为0-5A，因此二次回路电抗的感抗部分与容
抗部分也随着一次侧电流发生周期为50Hz的动态变化。因此在采用接入LCR电桥的方式测
量互感器二次回路电抗时，其测量值仅为CT一次侧无电流时的电路电抗，对有电流时的电
路电抗的测量意义并不大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测量电能计量二次回路电抗的装置，解决现
有技术无法在线实时测量二次回路中电抗的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测量电能计量二次回路电抗的装置，
包括注入波形模块、第一电流互感器、第二电流互感器、感应采集模块、波形比较模块与数
据处理模块；
所述注入波形模块与第一电流互感器相连，用于产生第一电流互感器所需的驱动电
流，同时采集驱动电流的电压信号波形并发送至波形比较模块；
所述第一电流互感器与电能计量二次回路的导线相连，用于在所述驱动电流的作用下
产生耦合激励并输入向所述导线输入耦合激励；
所述第二电流互感器与电能计量二次回路的导线相连，用于检测所述耦合激励在电能
计量二次回路中产生的耦合响应；
所述感应采集模块与第二电流互感器相连，用于采集所述耦合响应的电压信号波形并
发送至波形比较模块；
所述波形比较模块分别与注入波形模块、感应采集模块相连，用于接收所述驱动电流
的电压信号波形与耦合响应的电压信号波形并进行处理，得到波形比较结果；
所述数据处理模块与波形比较模块相连，用于读取所述波形比较结果，同时根据波形
比较结果获得电能计量二次回路的阻抗并取虚数部分，得到电能计量二次回路的电抗。
所述第一电流互感器的结构为设有开口的圆环，电能计量二次回路的导线贯穿于
第一电流互感器的圆环内。
所述第二电流互感器的结构为设有开口的圆环，电能计量二次回路的导线贯穿于
第二电流互感器的圆环内。
所述注入波形模块包括正弦波发生单元、电流驱动单元与注入波形采集单元；
所述正弦波发生单元通过第一驱动导线与电流驱动单元相连，用于产生正弦波信号并
发送至所述电流驱动单元；
所述电流驱动单元通过第二驱动导线与第一电流互感器相连，用于在所述正弦波信号
的控制下产生第一电流互感器所需的驱动电流；
所述注入波形采集单元通过第一差分导线与电流驱动单元相连，且通过第一数据总线
与波形比较模块相连，用于采集所述驱动电流的电压信号波形并发送至波形比较模块。
所述正弦波发生单元内设有直接数字频率合成器DDS，用于产生不同电压幅值、不
同频率的正弦波。
所述电流驱动单元内设有射极跟随器，用于稳定所述驱动电流的输出。
所述注入波形采集单元内设有第一模数信号转换装置，用于将所述驱动电流的电
压信号波形从模拟信号形式转化为数字信号形式。
所述感应采集模块包括信号调理单元与感应波形采集单元；
所述信号调理单元通过耦合输出导线与第二电流互感器相连，用于对所述耦合响应进
行信号放大、带通滤波、直流隔离与电平转换处理，得到耦合调理信号；
所述感应波形采集单元通过第二差分导线与信号调理单元相连，且通过第二数据总线
与波形比较模块相连，用于采集所述耦合调理信号的电压信号波形并发送至波形比较模
块。
所述感应波形采集单元内设有第二模数信号转换装置，用于将所述耦合调理信号
的电压信号波形从模拟信号形式转化为数字信号形式。
所述波形比较结果包括幅度值差与相位差；所述波形比较模块将耦合响应的电压
信号波形对应的幅度值减去驱动电流的电压信号波形对应的幅度值，得到幅度值差；将耦
合响应的电压信号波形对应的相位值减去驱动电流的电压信号波形对应的相位值，得到相
位差。本发明设有第一电流互感器与第二电流互感器，通过电磁耦合互感的方式获取二次
回路的信号，实现在线实时测量二次回路的电抗。
本发明设有波形比较模块，通过对驱动电流的电压信号波形与耦合响应的电压信
号波形的波形进行比较，得到幅度值差与相位差，可靠性好且操作简单。
本发明设有数据处理模块，通过计算机数值计算实现二次回路电抗的计算，有效
提高设备工作效率。
本发明通过注入波形模块驱动第一电流互感器，同时采集驱动电流的电压信号波
形并发送至波形比较模块。第一电流互感器向二次回路的导线输入耦合激励；第二电流互
感器检测耦合激励在电能计量二次回路中产生的耦合响应，并传输至感应采集模块。感应
采集模块采集耦合响应对应的电压信号波形，并发送至波形比较模块。波形比较模块接收
所述驱动电流的电压信号波形与耦合响应的电压信号波形，比较处理后得到波形比较结
果，并发送至数据处理模块；数据处理模块根据波形比较结果计算得到二次回路的电抗。本
发明具有实时测量、电流互感器接入方便、与响应迅速等特点，市场前景广阔。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图中：1.被测二次回路CT；2.电能表与接线盒负载；3.第一电流互感器；4.第二电流互
感器；5.正弦波发生单元；6.电流驱动单元；7.信号调理单元；8.注入波形采集单元；9.感应
波形采集单元；10.波形比较模块；11.数据处理模块；12.注入波形模块；13.感应采集模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以
更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例由被测二次回路CT1、被测二次回路导线、电能表与接线盒负载2、第一电流互
感器3、第二电流互感器4、波形比较模块10、数据处理模块11、波形比较模块12与感应采集
模块13组成。其中被测二次回路CT1与电能表与接线盒负载2通过被测二次回路导线相连，
构成被测电能计量二次回路。注入波形模块12由正弦波发生单元5、电流驱动单元6与注入
波形采集单元8组成；感应采集模块13由信号调理单元7与感应波形采集单元9组成。被测二
次回路CT1选用型号LMZ3D的低压电流互感器，精度等级为0.2S，额定变比为800A/5A，二次
负荷为5VA/2.5VA。电能表与接线盒负载2中的电能表选用型号为DTZY566-G的三相四线费
控智能电能表。第一电流互感器3的结构为设有开口的圆环，材料选用AKH-0.66-K的铁氧体
材质，并且在圆环上绕有20匝线圈。第二电流互感器4的结构为设有开口的圆环，材料选用
AKH-0.66-K的铁氧体材质，并且在圆环上绕有100匝线圈。正弦波发生单元5主要由集成DDS
芯片AD9854构成，其中晶振时钟频率为300MHz。电流驱动单元6由运算放大器OPA2227UA后
接射极跟随器实现。注入波形采集单元8由集成芯片ADS8365实现，具有16位并行接口，+5V
供电，且当参考时钟信号最高为5MHz时，ADS8365的转换时间为3.2us。信号调理单元7包含
信号放大器，带通滤波器，直流隔离器与电平转换器；其中信号放大器采用两级运算放大器
电路，由OPA2340实现，两级运算放大器共实现25倍增益；带通滤波器截止频率为5KHz-
50KHz，截止频率出衰减为3DB；直流隔离器由隔直电容器构成；电平转换器由RS-485标准电
平接口构成。感应波形采集单元9由另一块集成芯片ADS8365实现。波形比较模块10由
Cortex M3系列单片机STM32F103ZET6实现。数据处理模块11由ARK-3440F-U1A2E 嵌入式计
算机实现，并设有存储数据库。正弦波发生单元5内的DDS输出接口通过第一驱动导线与电
流驱动单元6内的运算放大器相连；电流驱动单元6内的射极跟随器通过第二驱动导线与第
一电流互感器3的线圈相连。注入波形采集单元8内的ADS8365输入端通过第一差分导线与
电流驱动单元6的射极跟随器相连；注入波形采集单元8内的ADS8365输出端通过第一数据
总线与波形比较模块10相连。信号调理单元7内的信号放大器输入端通过耦合输出导线与
第二电流互感器4的线圈相连；感应波形采集单元9内的ADS8365输入端通过第二差分导线
与信号调理单元7内的RS-485电平转换器的输出端相连。波形比较模块10的STM32F103ZET6
单片机输入接口分别与注入波形采集单元8、感应波形采集单元9对应的ADS8365的输出端
相连，并通过上位数据总线与数据处理模块11的ARK-3440F-U1A2E 嵌入式计算机输入接口
相连。第一电流互感器、第二电流互感器安装时，使被测电能计量二次回路断电，将二次回
路的导线通过第一电流互感器3的圆环缺口穿过（贯穿）圆环，将二次回路的导线通过第二
电流互感器4的圆环缺口穿过（贯穿）圆环，其中第一电流互感器3与第二电流互感器4在导
线上的位置可以互换。
本实施例的工作过程如下：在被测电能计量二次回路带电运行状态下，启动本装
置，使其各个模块接通电源。操作者根据二次回路的负载型号，对各模块进行相应的配置。
装置初始化各模块后，注入波形模块12内的正弦波发生单元5通过DDS生成一定幅值与频率
的正弦波，并发送至电流驱动单元6；电流驱动单元6内的运算放大器将接收到的正弦波进
行信号放大，并由射极跟随器输出至第一电流互感器3。第一电流互感器3通过电磁耦合效
应在二次回路内输入耦合激励，耦合激励在二次回路中产生了耦合响应（把二次回路看做
一个系统），第二电流互感器4通过互感效应感应检测到耦合响应。感应采集模块13内的信
号调理单元7对耦合响应进行信号放大、带通滤波、直流隔离与电平转换处理，得到耦合调
理信号；感应波形采集单元9采集耦合调理信号的电压信号波形，同时将电压信号波形的模
拟信号形式转化为数字信号形式（点阵波形），并发送至波形比较模块10。波形采集单元8采
集所述驱动电流的电压信号波形，同时将电压信号波形的模拟信号形式转化为数字信号形
式（点阵波形），并发送至波形比较模块10。波形比较模块10接收驱动电流的电压信号波形
与耦合响应的电压信号波形，并且将耦合响应的电压信号波形对应的幅度值减去驱动电流
的电压信号波形对应的幅度值，得到幅度值差；将耦合响应的电压信号波形对应的相位值
减去驱动电流的电压信号波形对应的相位值，得到相位差；同时将幅度值差与相位差输出
至数据处理模块11。数据处理模块11根据幅度值差与相位差采用数值计算的方式获得电能
计量二次回路的阻抗并取虚数部分，得到电能计量二次回路的电抗。若电抗值大于零，为感
性电抗，表征二次回路呈电感性质（通直流阻交流）；若电抗值小于零，为容性电抗，表征二
次回路呈电容性质（通交流隔直流），若电抗值等于零，表征二次回路呈电阻性质。操作者根
据电抗的特性判断当前二次回路的性质。随后数据处理模块11将测量时间、负载参数、幅度
值差、相位差、阻抗与电抗等数据存储至自身存储数据库中。操作者可以根据需要调取指定
测量时间的测量数据信息。
本发明的第一电流互感器的结构为设有开口的圆环，便于安装，最大程度提高电
磁耦合注入的效率。
本发明的第一电流互感器的结构为设有开口的圆环，便于安装，最大程度提高电
磁耦合检测的效率。
本发明的正弦波发生单元内设有直接数字频率合成器DDS，具有频率准确、分辨率
高，且易于控制的优点。
本发明的电流驱动单元内设有射极跟随器，具有减小驱动电流输出阻抗，增加驱
动能力的效果。
本发明的注入波形采集单元内设有第一模数信号转换器，用于将电压信号波形的
模拟信号形式转换为数字信号形式，方便波形比较模块使用数字鉴相器进行相位差的计
算，有效减小波形比较误差、便于数据存储。
本发明的感应波形采集单元内设有第二模数信号转换器，用于将电压信号波形的
模拟信号形式转换为数字信号形式，方便波形比较模块使用数字鉴相器进行相位差的计
算，有效减小波形比较误差、便于数据存储。
实施例2：
本实施例由被测二次回路CT1、被测二次回路导线、电能表与接线盒负载2、第一电流互
感器3、第二电流互感器4、波形比较模块10、数据处理模块11、波形比较模块12与感应采集
模块13组成。其中被测二次回路CT1与电能表与接线盒负载2通过被测二次回路导线相连，
构成被测电能计量二次回路。注入波形模块12由正弦波发生单元5、电流驱动单元6与注入
波形采集单元8组成；感应采集模块13由信号调理单元7与感应波形采集单元9组成。被测二
次回路CT1选用型号LMZ3D的低压电流互感器，精度等级为0.2S，额定变比为800A/5A，二次
负荷为5VA/2.5VA。电能表与接线盒负载2中的电能表选用型号为DTZY566-G的三相四线费
控智能电能表。第一电流互感器3的结构为设有开口的圆环，材料选用AKH-0.66-K的铁氧体
材质，并且在圆环上绕有20匝线圈。第二电流互感器4的结构为设有开口的圆环，材料选用
AKH-0.66-K的铁氧体材质，并且在圆环上绕有50匝线圈。正弦波发生单元5主要由集成DDS
芯片AD9854构成，其中晶振时钟频率为300MHz。电流驱动单元6由运算放大器OPA2227UA后
接射极跟随器实现。注入波形采集单元8由集成芯片ADS8365实现，具有16位并行接口，+5V
供电，6个同步采集通道，且当参考时钟信号最高为5MHz时，ADS8365的转换时间为3.2us。信
号调理单元7包含信号放大器，带通滤波器，直流隔离器与电平转换器；其中信号放大器采
用两级运算放大器电路，由OPA2340实现，两级运算放大器共实现25倍增益；带通滤波器截
止频率为5KHz-50KHz，截止频率出衰减为3DB；直流隔离器由隔直电容器构成；电平转换器
由RS-232标准电平接口构成。感应波形采集单元9由注入波形采集单元8集成芯片ADS8365
实现（共用一块采集芯片，通过不同采集通道实现两路信号输入）。波形比较模块10由
Cortex M3系列单片机STM32F103ZET6实现。数据处理模块11由ARK-3440F-U1A2E 嵌入式计
算机实现，并设有存储数据库。正弦波发生单元5内的DDS输出接口通过第一驱动导线与电
流驱动单元6内的运算放大器相连；电流驱动单元6内的射极跟随器通过第二驱动导线与第
一电流互感器3的线圈相连。注入波形采集单元8内的ADS8365输入端通过第一差分导线与
电流驱动单元6的射极跟随器相连；注入波形采集单元8对应的ADS8365输出端通过第一数
据总线与波形比较模块10相连。信号调理单元7内的信号放大器输入端通过耦合输出导线
与第二电流互感器4的线圈相连；感应波形采集单元9对应的ADS8365输入端通过第二差分
导线与信号调理单元7内的RS-232电平转换器的输出端相连。波形比较模块10的
STM32F103ZET6单片机输入接口分别与注入波形采集单元8、感应波形采集单元9对应的
ADS8365的输出端相连，并通过上位数据总线与数据处理模块11的ARK-3440F-U1A2E 嵌入
式计算机输入接口相连。同时，波形比较模块10的STM32F103ZET6单片机输出接口通过反馈
信号线与正弦波发生单元5内的DDS相连。第一电流互感器、第二电流互感器安装时，使被测
电能计量二次回路断电，将二次回路的导线通过第一电流互感器3的圆环缺口穿过（贯穿）
圆环，将二次回路的导线通过第二电流互感器4的圆环缺口穿过（贯穿）圆环，其中第一电流
互感器3与第二电流互感器4在导线上的位置可以互换。
本实施例的工作过程如下：在被测电能计量二次回路带电运行状态下，启动本装
置，使其各个模块接通电源。操作者根据二次回路的负载型号，对各模块进行相应的配置。
装置初始化各模块后，注入波形模块12内的正弦波发生单元5通过DDS生成一定幅值与频率
的正弦波，并发送至电流驱动单元6；电流驱动单元6内的运算放大器将接收到的正弦波进
行信号放大，并由射极跟随器输出至第一电流互感器3。第一电流互感器3通过电磁耦合效
应在二次回路内输入耦合激励，耦合激励在二次回路中产生了耦合响应（把二次回路看做
一个系统），第二电流互感器4通过互感效应感应检测到耦合响应。感应采集模块13内的信
号调理单元7对耦合响应进行信号放大、带通滤波、直流隔离与电平转换处理，得到耦合调
理信号；感应波形采集单元9采集耦合调理信号的电压信号波形，同时将电压信号波形的模
拟信号形式转化为数字信号形式（点阵波形），并发送至波形比较模块10。波形采集单元8采
集所述驱动电流的电压信号波形，同时将电压信号波形的模拟信号形式转化为数字信号形
式（点阵波形），并发送至波形比较模块10。波形比较模块10接收驱动电流的电压信号波形
与耦合响应的电压信号波形，并且将耦合响应的电压信号波形对应的幅度值减去驱动电流
的电压信号波形对应的幅度值，得到幅度值差；将耦合响应的电压信号波形对应的相位值
减去驱动电流的电压信号波形对应的相位值，得到相位差；波形比较模块10将幅度值差与
相位差输出至数据处理模块11，同时根据幅度值差与相位差进行数据区间分析，并调整正
弦波发生单元5内的DDS的参数（调整正弦波的输出幅度与频率）。数据处理模块11根据幅度
值差与相位差采用数值计算的方式获得电能计量二次回路的阻抗并取虚数部分，得到电能
计量二次回路的电抗。若电抗值大于零，为感性电抗，表征二次回路呈电感性质（通直流阻
交流）；若电抗值小于零，为容性电抗，表征二次回路呈电容性质（通交流隔直流），若电抗值
等于零，表征二次回路呈电阻性质。操作者根据电抗的特性判断当前二次回路的性质。随后
数据处理模块11将测量时间、负载参数、幅度值差、相位差、阻抗与电抗等数据存储至自身
存储数据库中，随后装置初始化各模块，对二次回路进行下一轮测试。操作者可以根据需要
调取指定测量时间的测量数据信息。
本实施例中注入波形采集单元与感应波形采集单元共用一块采集芯片，简化了装
置的配置。
本实施例通过反馈信号线将波形比较模块与正弦波发生单元相连，构成一个闭环
控制系统，有利于修正测量误差，提高装置的精确性。
本实施例的数据处理模块内设有存储数据库，便于保存测量参数信息与结果数
据。
本发明的有益效果在于：现有技术测量电能计量二次回路中综合感抗或容抗，均
将二次回路处于开路状态，将测试设备接入到断点处测量，效率低下，并且破坏了二次回
路；本发明采用开口式圆环无损接入二次回路，二次回路在任何情况下都可测量，更加安全
方便。现有技术的测量设备只能测量单一工况下（电能计量二次回路中无电流）的特性，无
法得知二次回路在交变电流下的特性；本发明不影响回路的特性，测量不同的负荷等级与
负荷类型等多种工况下的回路的特性，支持范围较广。现有技术依赖测试环境，一旦二次回
路恢复工作，便无法继续测量；本发明内置的存储数据库，将长期监测的数据保存并上传到
主站服务器中，实现长期在线实时监测。本发明具有安装方便、操作简单、频率准确、波形稳
定、实时性高且易于控制等特点，特别适用于电能CT计量二次回路的检测，具备良好的市场
经济效益与应用前景。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范
围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明
的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。