CN101216510B - 高压电能直接计量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种高压电能直接计量系统和方法，其应用于三相高压线路上，所述的系统包括：A相高压电能计量单元，其设置于A相电力线高压端上，用以计量第一部分电能消耗；C相高压电能计量单元，其设置于C相电力线高压端上，用以计量第二部分电能消耗；B相电能综合单元，其设置于B相电力线高压端上，用以累计第一部分电能消耗和第二部分电能消耗。

Description

高压电能直接计量系统和方法
技术领域
本发明涉及的是一种电能计量技术，特别涉及的是一种设置在三相高压线路上的高压电能直接计量系统和方法。
背景技术
目前配电网中使用的传统高压电能计量装置(也称为“高压电力计量柜”或“高压电力计量箱”)，均由AB、CB相间的高压电压互感器和A相、C相的高压电流互感器再加上一块三相三线电能表组成，也有采用电压电流互感器的组合形式(如一台10kV电压互感器和一台10kV电流互感器进行组合，或者两台10kV电压互感器和两台10kV电流互感器整体组合)。在低压侧用100V/5A或者100V/1A为输入额定值的三相三线电能表。
高压电压电流互感器的体积和重量较大，通常一套在100公斤左右。造成产品笨重的关键原因在于：需要实现42kV绝缘水平要求，二次额定负荷要在10VA以上，二次额定输出电流要在5A或1A。同时由于高压侧互感器部分与低压侧电能表之间为100V/5A或者100V/1A的较低电压信号，难以防范在此接口部分的不良窃电行为，并且最大问题在于装置的整体计量误差不能直接定义。
本专利申请人在2005年3月10日申请的专利号为ZL200520095464.1题目为工作在高电压电位的数字电路的工作电源，它包括交直流转换开关电源模块，它还包括串联的高压分压电容和低压分压电容，交直流转换开关电源模块的交流输入端并联在低压电容两端，交直流转换开关电源模块的直流稳压输出端连接滤波电路。实用新型串联的高压分压电容和低压分压电容直接连接在三相高压电力线的两相之间，从而直接通过高压信号的电压得到输入电源，不会受负载变化的影响，工作稳定，且无须设置蓄电池等补充电源；采用交直流转换开关电源模块即AC/DC的开关电源电路来解决数字电路的供电问题，可以实现电源部件的轻便、高效，该部件能够为高压电能表的产品轻便化、低功耗提供基础。
请参阅图1所示，其为本专利申请人在2005年3月10日申请的专利号为ZL200520095463.7的实用新型专利，题目为一种电力单相高压电能计量模块，它包括电能计量芯片111，电能计量芯片111的输出连接中央处理器112，中央处理器112连接电光转换电路113和光电转换电路114、存储器115和电源监视芯片116，其中，所述的电能计量芯片111电压电流采样部分包括高压分压器117和低压互感器118。所述的电力单相高压电能计量模块避免了使用导线将电压互感器的信号引至低压端造成的二次压降，整个电力单相高压电能计量模块悬浮在高压端工作，能有效防止窃电；所述的电力单相高压电能计量模块与外界的数据传递采用光纤通讯，实现安全绝缘；能够整体定义和校验模块的电能计量误差；与电磁式高压PT、CT和电能表组成的高压计量单元相比，高压电能计量模块的体积和重量都显著减小。这种单相高压电能计量模块适用于各种高压电网中，对单相电能进行计量。
上述两个专利为克服上述三相高压电能的直接计量存在的缺陷，获得新的技术方案提供了基础。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高压电能直接计量系统和方法，用以克服上述缺陷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，首先提供一种高压电能直接计量系统，其应用于三相高压线路上，其包括：
A相高压电能计量单元，其设置于A相电力线高压端上，用以计量第一部分电能消耗；
C相高压电能计量单元，其设置于C相电力线高压端上，用以计量第二部分电能消耗；
B相电能综合单元，其设置于B相电力线高压端上，用以累计第一部分电能消耗和第二部分电能消耗。
较佳的，所述的A相高压电能计量单元和所述的C相高压电能计量单元分别包括：一单相高压电能计量模块、一高压电流采集模块、一高压电压采集模块以及一电源模块，其中两个所述的高压电流采集模块分别设置在所述的A相电力线和C相电力线上获取对应电力线的电流值，两个所述的高压电压采集模块分别设置在A相电力线和B相电力线之间，以及C相电力线和B相电力线之间，用以获取两个电力线之间的电压值；同一高压电能计量单元中所述的单相高压电能计量模块分别与所述的高压电流采集模块和高压电压采集模块相连。
较佳的，所述的B相电能综合单元包括：电能综合模块和电源模块，其中，所述的电能综合模块包括：数据传输电路，处理器以及存储器，其中所述的数据传输电路用以和所述的单相高压电能计量模块相连接，进行电力信息数据的传输；所述的数据传输电路与所述的处理器相连接，将数据转化后储存到所述的存储器中。
较佳的，所述的数据传输电路为光纤传输线路和光电转换电路。
较佳的，还包括：一通信模块，其与所述的处理器相连接，将数据传输给低压的接收器，所述的通讯模块以光纤串行通讯方式、无线通讯方式进行传输。
较佳的，所述的高压电流采集模块为电流互感器，其等电位的工作在所述的A相电力线和C相电力线上，无互感器一次侧和二次侧之间的绝缘要求，所述的电流互感器为空心线圈或者低功耗精密电流互感器；所述的高压电压采集模块为电压互感器，所述的电压互感器为高压精密电阻分压或者高压电容分压。
较佳的，所述的电源模块其工作在高电压电位，其包括交直流转换开关电源电路以及与其串联的高压分压电容和低压分压电容，所述的交直流转换开关电源电路的交流输入端并联在低压电容的两端，所述的交直流转换开关电源电路的直流稳压输出端连接有一滤波电路。
较佳的，所述的单相高压电能计量模块包括电能计量芯片，以及与所述电能计量芯片输出端连接一处理器，所述的处理器连接电/光转换和光/电转换电路、存储器和电源监视芯片，所述的电能计量芯片电压电流采样部分包括高压分压器和低压互感器。
其次本发明提高一种高压电能直接计量方法，其是通过上述的高压电能直接计量系统实现的，其包括的步骤是：
将对应的高压电能直接计量系统设置于所述的电力线高压端；
对A相电力线上的电流进行采样获得实时电流Ia，对C相电力线上的电流进行采样获得实时电流Ic；
对A相电力线与B相电力线间的电压进行采样获得实时电压Uab，对C相电力线与B相电力线间的电压进行采样获得实时电压Ucb；
分别计算第一部分电能消耗IaUab和第二部分电能消耗IcUcb；
通过光纤通信将对应的电力信息进行传输至B相电能综合单元计算电能消耗值IaUab+IcUcb。
较佳的，还包括：将实时的电力线消耗的电能值通过通信单元传输至低压接收端，便于对用电情况进行实时的监控和管理。
与现有技术比较本发明的有益效果在于，避免了传统高压电能计量装置中高压电压互感器一次高压与二次低压间的绝缘问题，避免了电压互感器的取样信号引至低压端造成的二次压降。由于整个单相高压电能计量模块悬浮在高压端工作，能有效防止窃电；模块与外界的数据传递采用光纤通讯，实现安全绝缘；能够整体定义和校验模块的电能计量误差。与电磁式高压PT、CT和电能表组成的高压计量单元相比，本发明实现的高压电能计量装置体积和重量都显着减少，节约了大量漆包线、铁芯、绝缘材料等材料消耗，并大大降低了运行中的功耗。传统高压电能计量装置需要单独的高压电能计量开关柜来布局安放，而该发明所实现的高压整体电能计量装置，可以仅仅利用现有配电柜中空置的多余空间来布局安放，节省了一面高压开关柜的成本投入和占地面积，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为工作在高电压电位的数字电路的工作电源的功能结构框图；
图2为本发明高压电能直接计量系统的功能结构框图；
图3为本发明高压电能直接计量系统中电能综合模块的功能结构框图；
图4为本发明高压电能直接计量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
对于高压三相电力线路上的电能计量方式，由于一次供电系统为中性点绝缘系统，均采用两组件法进行电能计量。采用两组件法可以测量不对称负载条件下三相三线电路的功率和电能，并且不会产生误差。三相总功率的公式为：
p＝uAiA+uBiB+uCiC＝(uA-uB)iA+(uC-uB)iC＝uAB·iA+uCB·iC
假如将Uab与Ucb，Ia，Ic均连接在一个接地电路上，则需要解决高压一次侧与二次低压信号的绝缘问题，而且回到了传统的电能计量装置的电能计量方案，整个产品的绝缘设计要求较高，并将导致产品的体积重量大大增加。
将Uab、Ia和Ucb、Ic分别采用高压等电位方案，二次低压信号也分别处于10kV高压线的A相电力线和C相电力线的电压电位上。由于将一次信号和二次信号设计在一个等电位的电路中，压降仅仅只有不到2V，产品的绝缘要求大大降低，并且可以使得产品的体积重量大大减小。
定义A相的高压单相电能计量模块采集的功率为：pA＝uAB·iA
定义C相的高压单相电能计量模块采集的功率为：pC＝uCB·iC
三相三线的总功率为：p∑＝pA+pC；电能的计算公式等于在功率的基础上做时间量的积分，计算方法与功率基本一致。
为此我们基于上述理论，获得本发明的高压电能直接计量系统，请参阅图2所示，其为本发明高压电能直接计量系统的功能结构框图；其包括：
A相高压电能计量单元1，其设置于A相电力线高压端上，用以计量第一部分电能消耗；其包括：一单相高压电能计量模块11、一高压电流采集模块12、一高压电压采集模块14以及一电源模块13，其中，所述的高压电流采集模块12为电流互感器，其等电位的工作在所述的A相电力线，其不需要互感器一次侧和二次侧之间的绝缘要求，可以采用空心线圈(Rogowski线圈)或者低功耗精密电流互感器；所述的高压电压采集模块14为电压互感器，所述的电压互感器为高压精密电阻分压或者高压电容分压，其中所述的电流互感器设置于所述的A相电力线上用以获取对应的电流值Ia，所述的电压互感器设置于所述的A相电力线和C相电力线之间用以获取电压值Uab；所述的电流传感器和所述的电压传感器与所述的单相高压电能计量模块11相连接，用以计算相应的电能值。
C相高压电能计量单元3，其设置于C相电力线高压端上，用以计量第二部分电能消耗；其包括：一单相高压电能计量模块31、一高压电流采集模块32、一高压电压采集模块34以及一电源模块33，其中，所述的高压电流采集模块32为电流互感器，其等电位的工作在所述的C相电力线，其不需要互感器一次侧和二次侧之间的绝缘要求，可以采用空心线圈(Rogowski线圈)或者低功耗精密电流互感器；所述的高压电压采集模块34为电压互感器，所述的电压互感器为高压精密电阻分压或者高压电容分压，其中所述的电流互感器设置于所述的C相电力线上用以获取对应的电流值Ic，所述的电压互感器设置于所述的C相电力线和B相电力线之间用以获取电压值Ucb；所述的电流传感器和所述的电压传感器与所述的单相高压电能计量模块相连接，用以计算相应的电能值。
其中，对于所述的A、C相高压电能计量单元具有的单相高压电能计量模块11、31，其结构特征已在背景技术中描述，它包括电能计量芯片111，电能计量芯片111的输出连接中央处理器112，中央处理器112连接电光转换电路113和光电转换电路114、ROM存储器115和电源监视芯片116，其中，所述的电能计量芯片111电压电流采样部分包括高压分压器117和低压互感器118。所述的电力单相高压电能计量模块11、31避免了使用导线将电压互感器的信号引至低压端造成的二次压降，整个电力单相高压电能计量模块11、31悬浮在高压端工作，能有效防止窃电；所述的电力单相高压电能计量模块与外界的数据传递采用光纤通讯，实现安全绝缘；能够整体定义和校验模块的电能计量误差；与电磁式高压PT、CT和电能表组成的高压计量单元相比，高压电能计量模块的体积和重量都显著减小。这种单相高压电能计量模块11、31适用于各种高压电网中，对单相电能进行计量。对于技术细节这里就不再赘述了，其具体技术方案请参阅ZL200520095463.7。
B相电能综合单元2，其设置于B相电力线高压端上，用以累计第一部分电能消耗和第二部分电能消耗，也就是在指定的时间段内累计(积分)IaUab+IcUcb，所述的B相电能综合单元2包括：电能综合模块25和电源模块23，其中，请参阅图3所示，其为本发明高压电能直接计量系统中电能综合模块的功能结构框图；所述的电能综合模块25包括：数据传输电路，处理器253以及ROM存储器256，其中所述的数据传输电路用以和所述的A相电力线上以及C相电力线上设置的单相高压电能计量模块11、31相连接，进行电力信息数据的传输；所述的数据传输电路与所述的处理器253相连接，将数据转化后储存到所述的ROM存储器256中。其中，所述的数据传输电路为光纤传输线路和光电转换电路，所述的光电转换电路包括：电光转换电路252、254和光电转换模块251、255；
其中，对于所述的A、C相高压电能计量单元以及B相电能综合单元25内部都设有电源模块13、23、33，所述的电源模块3、23、33的结构技术特征都已在背景技术中描述了，它包括交直流转换开关电源模块，它还包括串联的高压分压电容和低压分压电容，交直流转换开关电源模块的交流输入端并联在低压电容两端，交直流转换开关电源模块的直流稳压输出端连接滤波电路。实用新型串联的高压分压电容和低压分压电容直接连接在三相高压电力线的两相之间，从而直接通过高压信号的电压得到输入电源，不会受负载变化的影响，工作稳定，且无须设置蓄电池等补充电源；采用交直流转换开关电源模块即AC/DC的开关电源电路来解决数字电路的供电问题，可以实现电源部件的轻便、高效，该部件能够为高压电能表的产品轻便化、低功耗提供基础。对于技术细节这里就不再赘述了，其具体技术方案请参阅ZL200520095464.1。
当然为了对已经获得了三相高压电能进行传输给远程接收端，本系统还包括：一通信模块，其与所述的电能综合模块的处理器256相连接，将数据传输给低压的接收器，所述的通讯模块以光纤串行通讯方式、无线通讯方式进行传输，这样便于远程的抄表、监控以及管理(图中未示)。
基于上述的三相高压电能计量原理以及上述的高压电能直接计量系统，本发明提高一种高压电能直接计量方法，请参阅图4所示，其为本发明高压电能直接计量方法的流程图，其包括的步骤是：
步骤a：将对应的高压电能直接计量系统设置于所述的电力线高压端；
步骤b：对A相电力线上的电流进行采样获得实时电流Ia，对C相电力线上的电流进行采样获得实时电流Ic；
步骤c：对A相电力线与B相电力线间的电压进行采样获得实时电压Uab，对C相电力线与B相电力线间的电压进行采样获得实时电压Ucb；
步骤d：分别计算第一部分电能消耗IaUab和第二部分电能消耗IcUcb；
步骤e：通过光纤通信将对应的电力信息进行传输至B相电能综合单元计算电能消耗值IaUab+IcUcb。
当然为了便于远程抄表和监控管理，还包括步骤f：将实时的电力线消耗的电能值通过通信单元传输至低压接收端，便于对用电情况进行实时的监控和管理。
本发明的优点在于，避免了传统高压电能计量装置中高压电压互感器一次高压与二次低压间的绝缘问题，避免了电压互感器的取样信号引至低压端造成的二次压降。由于整个单相高压电能计量模块悬浮在高压端工作，能有效防止窃电；模块与外界的数据传递采用光纤通讯，实现安全绝缘；能够整体定义和校验模块的电能计量误差。与电磁式高压PT、CT和电能表组成的高压计量单元相比，本发明实现的高压电能计量装置体积和重量都显着减少，节约了大量漆包线、铁芯、绝缘材料等材料消耗，并大大降低了运行中的功耗。传统高压电能计量装置需要单独的高压电能计量开关柜来布局安放，而该发明所实现的高压整体电能计量装置，可以仅仅利用现有配电柜中空置的多余空间来布局安放，节省了一面高压开关柜的成本投入和占地面积，具有良好的经济效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高压电能直接计量系统，其应用于三相高压线路上，其特征在于，其包括：
A相高压电能计量单元，其设置于A相电力线高压端上，用以计量第一部分电能消耗；
C相高压电能计量单元，其设置于C相电力线高压端上，用以计量第二部分电能消耗；
B相电能综合单元，其设置于B相电力线高压端上，用以累计第一部分电能消耗和第二部分电能消耗；
所述的A相高压电能计量单元和所述的C相高压电能计量单元分别包括：一单相高压电能计量模块、一高压电流采集模块、一高压电压采集模块以及一电源模块，其中两个所述的高压电流采集模块分别设置在所述的A相电力线和C相电力线上获取对应电力线的电流值，两个所述的高压电压采集模块分别设置在A相电力线和B相电力线之间，以及C相电力线和B相电力线之间，用以获取两个电力线之间的电压值；同一高压电能计量单元中所述的单相高压电能计量模块分别与所述的高压电流采集模块和高压电压采集模块相连；
所述的B相电能综合单元包括：电能综合模块和电源模块，其中，所述的电能综合模块包括：数据传输电路，处理器以及存储器，其中所述的数据传输电路用以和所述的单相高压电能计量模块相连接，进行电力信息数据的传输；所述的数据传输电路与所述的处理器相连接，将数据转化后储存到所述的存储器中；
所述的数据传输电路为光纤传输线路和光电转换电路；
所述的高压电流采集模块为电流互感器，其等电位的工作在所述的A相电力线和C相电力线上，无互感器一次侧和二次侧之间的绝缘要求，所述的电流互感器为空心线圈或者低功耗精密电流互感器；所述的高压电压采集模块为电压互感器，所述的电压互感器为高压精密电阻分压或者高压电容分压。
2.根据权利要求1所述的高压电能直接计量系统，其特征在于，还包括：一通信模块，其与所述的处理器相连接，将数据传输给低压的接收器，所述的通讯模块以光纤串行通讯方式、无线通讯方式进行传输。
3.根据权利要求1所述的高压电能直接计量系统，其特征在于，所述的电 源模块其工作在高电压电位，其包括交直流转换开关电源电路以及与其串联的高压分压电容和低压分压电容，所述的交直流转换开关电源电路的交流输入端并联在低压电容的两端，所述的交直流转换开关电源电路的直流稳压输出端连接有一滤波电路。
4.根据权利要求1所述的高压电能直接计量系统，其特征在于，所述的单相高压电能计量模块包括电能计量芯片，以及与所述电能计量芯片输出端连接一处理器，所述的处理器连接电/光转换和光/电转换电路、存储器和电源监视芯片，所述的电能计量芯片电压电流采样部分包括高压分压器和低压互感器。 
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