CN101086512A

CN101086512A - 数字化电能计量系统

Info

Publication number: CN101086512A
Application number: CN 200710054238
Authority: CN
Inventors: 陈光风
Original assignee: ZHENGZHOU JINGKE ELECTRIC POWER AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: ZHENGZHOU JINGKE ELECTRIC POWER AUTOMATION CO Ltd
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2007-12-12

Abstract

本发明涉及一种数字化电能计量系统，各电压电流互感器的输出端分别和与其相对应的电能计量模块相连接，各电能计量模块的输出端和与其相对应的电光转换模块的输入端相连接，各电光转换模块的输出端分别连接一光纤，所有光纤经光纤合并单元合并后通过一根光缆与光电转换与信号处理模块相连接，光电转换与信号处理模块将光信号转换为数字电信号后其输出端与数字化集中式电能计量系统相连接。本发明以光缆代替电缆作为二次信号传输回路，实现对高压电能的数字化准确计量，能够有效解决目前高压电能计量装置综合误差过大的难题，大大简化二次信号传输回路并大大减轻现场施工工作量。

Description

数字化电能计量系统

技术领域

本发明属于电能计量领域，特别是涉及一种数字化电能计量系统。

背景技术

在现有电能计量系统中，电压互感器距离控制室的计量装置一般都有较远的距离，所以二次连接导线较长(对于一些500kV变电站，可达800m)，再加上回路中接有阻值较大的快速开关接点及保险管等，如果负荷电流较大，则由此引起的二次回路压降将比较大，因此电压互感器二次导线压降引起的计量误差在电能计量综合误差中往往占最大的比重。电能计量的综合误差还包括电压互感器的合成误差、电流互感器的合成误差以及电能表的误差，实际中，电压互感器二次回路压降所引起的计量误差可能会远远大于上面所提到的几种误差。这些误差导致电能计量不准确，往往导致供用电双方产生争议。此外，现有计量装置的二次回路需要大量电缆，导致施工工作量大，成本高，抗电磁干扰能力差，传输信息量小，多回路时二次回路结构复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种计量准确、二次回路结构简单的数字化电能计量系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种数字化电能计量系统，包括若干电压电流互感器、二次信号传输回路和电能计量装置，它还包括若干与各互感器相对应的电能计量模块、若干与各电能计量模块相对应的电光转换模块、光纤合并单元、光电转换与信号处理模块、数字化集中式电能计量系统，各电压电流互感器的输出端分别和与其相对应的电能计量模块相连接，各电能计量模块的输出端和与其相对应的电光转换模块的输入端相连接，各电光转换模块的输出端分别连接一光纤，所有光纤经光纤合并单元合并后通过一根光缆与光电转换与信号处理模块相连接，光电转换与信号处理模块将光信号转换为数字电信号后其输出端与数字化集中式电能计量系统相连接，由其对各路信号分别计量和显示。

所述的光电转换与信号处理模块由光电转换模块、信号处理模块、数据采集卡和计算机依次连接组成。

所述的电压电流互感器为电磁式电压电流互感器。

所述的电压电流互感器为光电数字式电压电流互感器。

所述的光电数字式电压电流互感器包括用于串连在高压母线上的电流取样线圈和取能线圈，电流取样线圈上并接有取样电阻，电流取样线圈的电流输出端与电能计量模块相连接，设置于绝缘子内的分压器取出电压信号后其输出端也与电能计量模块相连接，电能计量模块的输出端与电光转换模块的输入端相连接，电光转换模块的输出端连接一光纤，该光纤主体设置在绝缘子内并从互感器底座引出，取能线圈输出端与DC/DC变换模块输入端相连接，DC/DC变换模块输出端与电光转换模块和电能计量模块相连接为其提供工作电源。

在取能电路中还设置有取能线圈保护电路，DC/DC变换模块输出端输出端与其相连接后再与电光转换模块1.4和电能计量模块1.3相连接为其提供工作电源。

本发明在互感器侧对各路出线母线的电能进行计量，以光缆代替电缆作为二次信号传输回路，并配以数字化集中式电能计量系统，进而实现对高压电能的数字化准确计量，能够有效解决目前高压电能计量装置综合误差过大的难题。同时，本发明还可采用光电数字式电压、电流互感器代替传统电磁式电压、电流互感器采集高压信号，具有测量准确度高、测量动态范围大、二次输出为数字信号等特点，并具有绝缘结构简单、体积小、重量轻等优点。本发明将高压电压电流信号进行数字化处理后，通过光纤以光的方式进行传输，由于光纤具有优良的电绝缘性能，所以整个信号传输过程不会引入额外误差。此外，将所有互感器输出的光纤在互感器侧进行合并，最后由一根光缆送至控制室，能够大大简化二次信号传输回路并大大减轻现场施工工作量。

附图说明

图1是本发明采用光电数字式电压电流互感器时的整体方框图；

图2是光电转换与信号处理模块的原理方框图；

图3是光电数字式电压电流互感器的结构示意图；

图4是光电数字式电压电流互感器的取样原理示意图；

图5是本发明采用传统电磁式电压电流互感器的整体方框图。

具体实施方式

如图1所示，数字化电能计量系统包括若干电压电流互感器、二次信号传输回路和电能计量装置，它还包括若干与各互感器相对应的电能计量模块、若干与各电能计量模块相对应的电光转换模块、光纤合并单元、光电转换与信号处理模块、数字化集中式电能计量系统，各电压电流互感器的输出端分别和与其相对应的电能计量模块相连接，各电能计量模块的输出端和与其相对应的电光转换模块的输入端相连接，各电光转换模块的输出端分别连接一光纤，所有光纤经光纤合并单元合并后通过一根光缆与光电转换与信号处理模块相连接，光电转换与信号处理模块将光信号转换为数字电信号后其输出端与数字化集中式电能计量系统相连接，由其对各路信号分别计量和显示。

如图2所示，光电转换与信号处理模块由光电转换模块7、信号处理模块8、数据采集卡9和计算机10依次连接组成。光电转换模块可选用型号HFBR2412，信号处理模块可选用Altera公司EPM1270144T，为数据采集卡可选用美国NI公司6013。

如图3所示，光电数字式电压电流互感器包括用于串连在高压母线2上的电流取样线圈1.1和取能线圈1.5，电流取样线圈1.1上并接有取样电阻1.2，电流取样线圈1.1的电流输出端与电能计量模块1.3相连接，设置于绝缘子4内的分压器5取出电压信号后其输出端也与电能计量模块1.3相连接，电能计量模块1.3的输出端与电光转换模块1.4的输入端相连接，电光转换模块1.4的输出端连接一光纤3，该光纤主体设置在绝缘子4内并从互感器底座6引出，取能线圈1.5输出端与DC/DC变换模块1.7输入端相连接，DC/DC变换模块输出端1.7与电光转换模块1.4和电能计量模块1.3相连接为其提供工作电源。为了保护取能电路，在取能电路中还可设置取能线圈保护电路1.6，此时DC/DC变换模块输出端1.7输出端与其相连接后再与电光转换模块1.4和电能计量模块1.3相连接为其提供工作电源。电能计量模块可选用型号ADE7759，电光转换模块可选用型号为HFBR1414。

电流取样线圈1.1和分压器6分别对电流和电压取样，输入电能计量模块1.3，由电能计量模块对母线的电能进行计量，然后由电光转换模块1.4把电信号转换为数字光信号由光纤输出。所有路出线的各母线引出的光纤由光纤合并单元进行合并由一根光缆输出至光电转换与信号处理模块，由光电转换模块7将光信号转换为数字电信号，由信号处理模块8进行处理，由数据采集卡9采集后入计算机10内，最后由计量存储与显示模块存储显示。本发明还可将计量的电能信号通过网络进行传输，由网络远程监测单元对不同计量站实施统一管理与监控。

本发明中三相光电数字式电压、电流互感器的二次输出为数字式光信号，该信号通过光纤传至位于互感器侧的光纤合并单元，将所有互感器的输出光纤进行整合，通过一根光缆送至位于控制室的数字化集中式电能计量系统。这种处理方式能够大大简化二次信号传输通道，给现场施工带来极大的方便。

图1中的数字化集中式电能计量系统可完成对多个出线的电能计量任务，其输入为光信号，通过高速以太网接口引入。由于数字化电能计量系统的输入为数字信号，不存在小CT/PT及A/D转换等单元，通过采用先进的数字信号处理算法，其电能计量准确度可以大大提高。高压电能数字化计量系统的电能计量精度主要取决于光电数字式互感器的测量准确度。可对多出线回路中各回路的正向/反向总有功/无功、各回路的正向/反向单相有功/无功进行计量，可测量总计A、B、C三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数及电网频率，并可以显示功率方向。

另外，当一相电压幅值低于60％Un，对应相电流大于10％Ib时，判断该相为失压状态。系统可记录该相失压累计时间和失压期间所计该相有功电量，并保存至少最近10次失压记录；当一相电流幅值低于10％Un，对应相电压大于60％Ib时，判断该相为失流状态，系统可记录该相失流累计时间和失流期间所计该相有功电量，并保存至少最近10次失流记录；当一相电压幅值低于60％Un，对应相电流小于10％Ib时，判断该相为断相状态。保存至少最近10次断相记录；设定电量考核范围，当一相电量在1分钟内的平均值高于或低于该考核范围，认为输入的电量值无效。保存至少最近10次无效记录；可对光电数字式互感器的运行状态及电能计量模块的自身状态进行动态自检，并自动存储检测结果。

本发明可提供无源四路脉冲输出和无源三路测试脉冲输出，四路脉冲输出可独立编程为正向有功、反向有功或四象限无功或感容性无功中的任意一种。三路测试脉冲具有同一公共端，分别固定为有功电能脉冲、无功电能脉冲及内部时钟脉冲。

本发明的信号传输均采用光通过光纤进行传播的方式，完全舍弃通过电缆的电信号传输方式，使系统的安全可靠性、抗电磁干扰能力等大大提高，并且不产生电磁干扰。数字输入接口在物理层和链路层上采用了IEC61850推荐的高速光纤以太网，具有抗干扰能力强、传输数据速率快、接口简洁等特点。

光电数字式电压电流互感器具有测量准确度高、测量动态范围大、二次输出为数字信号等特点，并具有绝缘结构简单、体积小、重量轻等优点。光电数字式电流互感器采用具有不饱和特性的Rogowski线圈或LPCT作为高压侧传感单元，通过信号调理、A/D变换与电光转换后生产数字化光信号，依据IEC61850-9-2和IEC60044-8标准规定的通信格式将该信号送至合并单元，该电流互感器能够完全克服电磁式电流互感器固有的磁饱和问题，并且测量动态范围大，绝缘中无油、无气，体积小、重量轻。光电数字式电压互感器采用性能优良的阻容分压器作为高压侧传感单元，通过信号调理、A/D变换与电光转换后生产数字化光信号，依据IEC61850-9-2和IEC60044-8标准规定的通信格式将该信号送至合并单元，该电压互感器能够完全克服电磁式电压互感器的铁磁谐振问题，并且体积小、重量轻。

数字化电能计量系统接收来自光电数字式电压电流互感器传送过来的数字化的电压、电流瞬时值，可保证计算出的各项电量值的准确性，在理论上误差可做到最低。

数字化高压电能计量系统虽然同现有计量系统具有类似的功能特点，但是由于它采用的是将高压电压、电流信号直接进行数字化处理并通过光的形式以光纤为通道进行传输的方式，在电能计量过程中不存在额外的模拟量中间转换环节，所以在测量准确度方面数字化电能计量系统要大大优于现有测量装置。

如图5所示，本发明还可以采用传统的电磁式电压电流互感器对电压、电流进行取样，之后进行电光转换并进行计量，系统构成和采用光电数字式电压电流互感器的计量系统相同。

数字化电能计量系统综合误差可达0.4％，较传统计量方式的0.7％至少会提高0.3％。实际中，光电数字式电流互感器可做到0.1S级、光电数字式电压互感器为0.2级，整体综合误差可到0.3％。

Claims

1、一种数字化电能计量系统，包括若干电压电流互感器、二次信号传输回路和电能计量装置，其特征在于，它还包括若干与各互感器相对应的电能计量模块、若干与各电能计量模块相对应的电光转换模块、光纤合并单元、光电转换与信号处理模块、数字化集中式电能计量系统，各电压电流互感器的输出端分别和与其相对应的电能计量模块相连接，各电能计量模块的输出端和与其相对应的电光转换模块的输入端相连接，各电光转换模块的输出端分别连接一光纤，所有光纤经光纤合并单元合并后通过一根光缆与光电转换与信号处理模块相连接，光电转换与信号处理模块将光信号转换为数字电信号后其输出端与数字化集中式电能计量系统相连接，由其对各路信号分别计量和显示。

2、如权利要求1所述的数字化电能计量系统，其特征在于，所述的光电转换与信号处理模块由光电转换模块、信号处理模块、数据采集卡和计算机依次连接组成。

3、如权利要求1或2所述的数字化电能计量系统，其特征在于，所述的电压电流互感器为电磁式电压电流互感器。

4、如权利要求1或2所述的数字化电能计量系统，其特征在于，所述的电压电流互感器为光电数字式电压电流互感器。

5、如权利要求4所述的数字化电能计量系统，其特征在于，所述的光电数字式电压电流互感器包括用于串连在高压母线上的电流取样线圈和取能线圈，电流取样线圈上并接有取样电阻，电流取样线圈的电流输出端与电能计量模块相连接，设置于绝缘子内的分压器取出电压信号后其输出端也与电能计量模块相连接，电能计量模块的输出端与电光转换模块的输入端相连接，电光转换模块的输出端连接一光纤，该光纤主体设置在绝缘子内并从互感器底座引出，取能线圈输出端与DC/DC变换模块输入端相连接，DC/DC变换模块输出端与电光转换模块和电能计量模块相连接为其提供工作电源。

6、如权利要求5所述的数字化电能计量系统，其特征在于，在取能电路中还设置有取能线圈保护电路，DC/DC变换模块输出端输出端与其相连接后再与电光转换模块1.4和电能计量模块1.3相连接为其提供工作电源。