CN101271129B - 传感器式高压电能计量方法 - Google Patents
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Abstract
传感器式高压电能计量方法，属于电力测量领域。包括用电流法进行电压取样，采集正比于高压侧电压U的电压信号u，经过处理后，输入电能计量单元，其特征在于：a、I/i贯穿式电流取样法采集正比于高压侧电流I的电流信号i，经过处理后，输入电能计量单元；b、用I/P电源供电回路取得电压信号，经过处理后，提供电能计量单元所需电源Vcc；c、电能计量单元对输入的电压信号u和电流信号i进行电能计量。本发明的电能计量方法测量准确、降低损耗节约成本、防窃电、安全稳定，直接从负载电流取得工作电源，设备简化，适于高压侧电量计量。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用传感器进行标准电流、电压转换的微信号传感器式高压电能计量方法，属于电力测量领域。
背景技术
高压电能计量装置，是应用在供、用、发电过程的计量器具，涉及供、用电双方的经济利益，它的公平、公正十分重要，它应用面大量广，是不可缺少的电能计量装置。目前，高压电能计量装置一般是由多台高压电流传感器及多台高压电压互感器、电能表、接线端子盒、高压端连接排、低压连接导线等组成。高压电压互感器把高压电压变换成标准的100V或100/
V低压电压；高压电流传感器把高压大电流变换成低压5A或1A标准电流；通过多根连接导线接入电能表进行电能计量；现有电能表的电流输入回路装有有锰铜分流电阻，将5A输入电流分流成毫安级或微安级的电流信号，才能输入到电能计量单元；电压输入信号也要经过二次降压，才能输入到电能计量单元进行计量。这种测量信号经过多级转换的传统方式，存在许多弊端：1、高压电能计量装置中电流传感器、电压互感器、电能表的误差分别测量，多只高压电流传感器、高压电压互感器和电能表组合后的误差，以及连接导线、接触电阻的误差不能直接测出，组合后的高压电能计量装置综合误差是各相关元件的综合误差，电压互感器(PT)、电流传感器(CT)或电流、电压组合式互感器(P、CT)以及电能表分别进行误差测量或检定，然后确定总不确定度γ。γ＝r0+γh+rd。其中：r0为电能表本身误差，γh为互感器的合成误差，rd为二次回路导线压降误差。由于各相关元件互相匹配不好，显示出的误差特性不好，低负荷时易出现漏计电量。而且，后续安装产生的人为误差不能测出，电能计量不准确，有失公正。2、对互感器输出容量要求较高，一般在几十伏安，现有的互感器输出的标准电流、标准电压信号用于电能计量时或测量时，还需要进一步将5A或1A标准电流转换为毫安或微安级的电流信号，标准的100V、
电压信号转换为毫伏级的电压或微电流信号，过程复杂，耗能高；每台互感器运行时二次带有30VA-80VA的固定负荷及8W以上的自身损耗，每个计量点至少用4台以上的互感器，有电量公式：
每个10KV电压等级计量点每年耗电1819kWh—4213kWh，损耗电费1182元-2738元；35KV损耗电费1800-3800元/年。(电费按kWH/0.65元)；高压电能计量装置制造起来有一定难度，体积大、份量重、成本高多台互感器相互之间即要留有安全距离，又要用铜排进行连接，体积、重量、材料浪费大，互感器主要有硅钢片、铜、钢、变压器油或环氧树脂等材料制成，每个计量点至少耗材12000—15000元，费用高、用电投资成本大。3、由于电磁式电压互感器的存在，易受电网中各种因素的干扰会出现电磁谐振、高次谐波、操作过电压等因素的干扰，影响电压互感器的安全运行，电网中打保险、烧PT现象时有发生，影响电力系统安全经济运行，事故率高，影响电网供电质量。
随着配网自动化程度的提高，为提高电能质量的要求，微机式保护、测量、计量提供电流信号的转换设备高压电流传感器、提供电压信号的电压转换设备的高压电压互感器的使用条件发生了变化，它不需要几十伏安的输出容量，也不需要1A或5A的电流，100V、100/
V电压信号的输出，而是只要几伏安和mA级或μA级标准微电流信号，毫伏或毫安级的电流信号输出，可以直接与电能计量芯片或保护控制单元连接，减少电流变换过程的安匝数，降低二次开路电压；这就使高压电能计量装置的制造变得简单、节材、节能，可以减少电流、电压的转换过程，减少故障几率。可以提高计量精度，更注重计量、测量、保护性能，这就给该类设备的技术进步创造出良好的发展契机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测量准确、降低损耗节约成本、安全稳定的传感器式高压电能计量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该传感器式高压电能计量方法，包括用电流法进行电压取样，采集正比于高压侧电压U的电压信号u，经过处理后，输入电能计量单元，其特征在于：
a、I/i贯穿式电流取样法采集正比于高压侧电流I的电流信号i，经过处理后，输入电能计量单元；
b、用I/P电源供电回路取得电压信号，经过处理后，提供电能计量单元所需电源Vcc；
c、电能计量单元对输入的电压信号u和电流信号i进行电能计量。
I/i贯穿式电流取样法是将一只或两只或多只贯穿式微型电流传感器，制作成一次绕组为单匝或穿心式能承担被测电流的绕组，二次绕组输出适应微机式、测量或计量需 要的mA级或μA级标准微电流信号。
微型电流传感器的二次侧形成等比于被测电流I的二次电流i，该电流经补偿满足计量精度要求后，输入到电能计量单元进行电能计量，I/i的比值乘入电能计量单元。
微型电流传感器的连接有Y-y、V-v、角-角、单相四种方式。分别适应不同的计量方式。
处理是指微型电流传感器的一次绕组与二次绕组之间根据实用的电压等级进行高低压隔离处理和电磁屏蔽和防静电处理。使其能承受相应电压等级的工作电压、耐受电压和雷电冲击电压，并且使其高电压下不受电磁干扰的影响，满足电磁兼容的需要。
电流法进行电压取样采用V/I/v标准电压取样回路，包括在被测电压端设置由至少包括一个具有标准/固定阻抗的一次阻抗、一个具有标准/固定阻抗的二次阻抗和一个微型电流传感器构成的高压传感器，一次阻抗与微型电流传感器的输入端串联后，与被测电压之两端连接，微型电流传感器的输出端与二次阻抗并联，微型电流传感器的两端与电压测量、计量、监控或保护装置的电压信号输入端连接。
用I/P电源供电回路通过将负载电流流过微型电流传感器产生的电压，进行整流、滤波取出需要的电能，提供电能计量单元所需电源Vcc。
I/P电源供电回路在三相负载电流导线分别接入三支用于电流取源的微型电流传感器，负载电流分别流过微型电流传感器，微型电流传感器的二次侧连接储能元件和电池组，电池组的输出端为电源Vcc。当负载电流I在正常工作电流的5％以下时，微型电流传感器产生的电压小于正常Vcc所需电压时，储能元件和电池组起续流补偿作用，由储能元件和电池组供电Vcc；当负载电流I达到5％—50％的正常工作电流时，微型电流传感器取出电压，并对储能元件充电，保持储能元件的电能不损耗；当负载电流I大于50％的正常工作电流，且储能元件的电能处在储满状态时，微型电流传感器及时饱和，停止对储能元件的过充电。所述的微型电流传感器的一次绕组与二次绕组之间根据实用的电压等级进行高低压隔离处理和电磁屏蔽和防静电处理，使其能承受相应电压等级的工作电压、耐受电压和雷电冲击电压，并且使其高电压下不受电磁干扰的影响，满足电磁兼容的需要。
电能计量单元采用原有计量模块，将电压u、电流I和I/i的比值乘入电能计量单元进行计量，计量结果通过显示器显示或者输出。电能计量单元与传感器统一设计，改变了电能表的传统连结方式，把传感器的标准电流信号，标准电压信号，按照计量模块输入要求，直接处理成可直接连接的信号，减少了标准电压信号的二次转换，取消了标 准电流信号接口的锰铜分流电阻。可以实现远抄或者远红外抄。
本发明传感器式高压电能计量方法的有益效果是：
1、采用电流法测量高压电压，设备无铁磁谐振、抗冲击能力强，解决了电磁式互感器存在的电磁谐振、高次谐波、操作过电压给安全运行造成威胁等诸多问题，完全满足计量、测量、监控和保护的要求，安全性能高。
2、避免了采用分压式测量方法的普通电压传感器受对地分布电容的影响较大，在不同拓扑结构的电力系统中测量误差偏差不一，不能很好地适应具有多种接线方案形式的电力系统的问题；
3、可以方便的实现三相三线制或三相四线制系统之相对相的高压电压测量；
4、既可以采用常规接线方式以满足零序保护装置的信号取样要求，又可以形成开口三角接线方式，满足差动保护装置的信号取样要求；
5、能适应电网自动化的需要，可提供同时满足计量、测量、监控或保护系统多种需要的电压信号，使其测量简单化；
6、其取样方式既节能、节省安装空间、节约制作材料、又可大幅度降低计量成本，环保性能好，无电噪、电晕声，便于计量、测量或保护装置的安装、使用和维护，对提高供电质量起到了关键作用。
7、安全运行系数高：一次单匝过流饱和不烧，过电压时不会出现过流现象电压互感器无磁饱和现象。
8、电能表的输入单元没有锰铜分流电阻，彻底解决了烧表尾的问题。
附图说明
图1是本发明的原理方框图；
图2是本发明的实施例1的I/i贯穿式电流取样三相四线Y—y接法电路原理图；
图3是本发明的实施例1的电流法进行电压取样三相四线Y—y接法电路原理图；
图4是本发明的实施例1的I/P电源供电电路原理图；
图5是本发明的实施例2的I/i贯穿式电流取样三相三线V—v接法电路原理图；
图6是本发明的实施例2的电流法进行电压取样三相三线V—v接法电路原理图。
图1-4是本发明传感器式高压电能计量方法的最佳实施例，图1-6中：T1-T13微型电流传感器 U1电能计量单元 U2稳压单元 U3储能元件 R1-R10电阻RP1-RP6电位器 D1-D6二极管 E1电池组。
具体实施方式
下面结合图1-6对本发明传感器式高压电能计量方法做进一步说明。
实施例1：
如图1所示是本发明的原理方框图，用电流法进行电压取样，采集正比于高压侧电压U的电压信号u，经过高低压隔离、屏蔽、防电晕和补偿处理后，输入电能计量单元；用I/i贯穿式电流法进行电流取样，采集正比于高压侧电流I的电流信号i，经过高低压隔离、屏蔽、防电晕和补偿处理后，输入电能计量单元；用I/P电源供电回路从高压侧负载电流I取得电压信号，经过高低压隔离、整流、储能和保护处理后，提供电能计量单元所需电源Vcc。电能计量单元对输入的电压信号u和电流信号i进行电能计量，结果通过显示器输出。
如图2所示，I/i标准电流取样回路：微型电流传感器T1-T3的一次侧为单匝绕组，二次侧连接电能计量单元U1。
电流取样采用贯穿式电能表的工作原理，根据需要将一只或两只或多只贯穿式微型电流传感器T1-T3，一只或多只空心电流传感器制作成一次绕组为单匝或穿心式(需要时可以用复匝)能承担被测电流及相应要求的一次绕组，通过高灵敏度宽负载特性好的铁芯在二次输出适应微机式、测量、计量需要的mA级或μA级标准微电流信号，微型电流传感器的磁芯根据被测信号的特性选用适应的材料以保证小电流时灵敏度高，超出测量电流范围时具有饱和特性，避免过电流时故障扩大，微型电流传感器T1-T3的二次输出形成等比于被测电流I的二次电流i，该电流经补偿满足计量精度要求后，输入到电能计量单元U1进行电能计量，I/i的比值乘入电能计量单元U1。
微型电流传感器T1-T3的连接为三相四线Y-y接法。I/i标准电流取样回路，可根据用途选择也可以并联固定电阻，将输出电流变换成电压信号，这就可以大大降低转换设备的安匝数；一次与二次之间应根据实用的电压等级进行高低压隔离处理，使其能承受相应电压等级的工作电压、耐受电压和雷电冲击电压；为使其高电压下不受电磁干扰的影响，满足电磁兼容的需要，应进行电磁屏蔽和防静电处理。该方法为普通现有技术，不做祥述。
如图3所示，电流法进行电压取样回路：A相：电阻R1与微型电流传感器T4的输入端串联后，与被测电压的两端连接。微型电流传感器T4的二次侧输出端并联电阻R4，电阻R4的一端通过电位器RP1连接电能计量单元U1。B相和C相的连接方式相同。
微型电流传感器T4-T6的输出端与输入端之间经过高/低压隔离。高/低压隔离单元可以为光电式、光纤式、电磁式、气体绝缘式、油绝缘式或固体绝缘式隔离装置。电阻R4-R6为电阻性负载，也可以是电容性负载、电感性负载或其组合。微型电流传感器T4-T6还可以是光电式微型电流传感器、光纤微型电流传感器、电磁式微型电流传感器、贯穿式微型电流传感器。通过补偿调节使被测电压V在80％、100％、120％的范围内与二次电压v误差小于需要值，线性度也要满足精度要求。该电压输入电能计量单元U1，作为高压电能计量的标准电压信号，V/v的变比乘入电能计量单元U1。
A相、B相和C相之间取样采用三相四线Y—y接法。
如图4所示，用I/P电源供电回路：微型电流传感器T7的二次侧设置公共地，输出端分别串联二极管D1、D2，二极管D1、D2的公共端通过电位器RP4分别连接稳压单元U2和储能元件U3。稳压单元U2的输出端连接电池组E1，输出端为Vcc端。微型电流传感器T8、T9的接法与微型电流传感器T7相同。
通过将负载电流流过微型电流传感器T7-T9产生的电压，进行整流、滤波等步骤取出需要的电能，提供电能计量单元U1所需电源Vcc。
当负载电流I在正常工作电流的5％以下时，微型电流传感器T7-T9产生的电压小于正常Vcc所需电压时，储能元件U3和电池组E1起续流补偿作用，由储能元件U3和电池组E1供电Vcc；当负载电流I达到5％—50％的正常工作电流时，微型电流传感器T7-T9取出电压，并对储能元件U3充电，保持储能元件U3的电能不损耗；当负载电流I大于50％的正常工作电流，且储能元件U3的电能处在储满状态时，微型电流传感器T7-T9及时饱和，停止对储能元件U3的过充电。微型电流传感器T7-T9的一次绕组与二次绕组之间根据实用的电压等级进行高低压隔离处理和电磁屏蔽和防静电处理，使其能承受相应电压等级的工作电压、耐受电压和雷电冲击电压，并且使其高电压下不受电磁干扰的影响，满足电磁兼容的需要，实施方法为普通技术。在微型电流传感器T7-T9的二次侧设置断相指示电路。
微型电流传感器T7-T9的一次侧可以为单匝导线，也可以是穿心式，也可以根据需要用多匝。
整流所用的二极管D1-D6还可以根据工作环境及负载电流特性选择不同的整流电路，例如：桥式整流、倍压整流、半波整流等。
电能计量单元U1采用原有计量模块，将电压u、电流I和I/i的比值乘入电能计量单元U1进行计量，计量结构通过显示器显示或者输出。电能计量单元U1与微型电流传感器T1-T6统一设计，改变了电能表的传统连结方式，把微型电流传感器的标准电流信号，标准电压信号，按照计量模块输入要求，直接处理成可直接连接的信号，减少了 标准电压信号的二次转换，取消了标准电流信号接口的锰铜分流电阻。可以实现远抄或者远红外抄。
实施例2：
如图5所示，I/i贯穿式电流取样三相三线V—v接法：将三相交流高压电，接入两相进行取样。方法原理与三相四线Y—y接法相同。
如图6所示，电流法进行电压取样三相三线V—v接法，三相交流高压电的任意两相进行取样。A相和C相的微型电流传感器T12、T13的一次侧设置公共端并且连接B相，二次侧连接与三相四线Y—y接法相同。
I/i贯穿式电流取样电路和电流法进行电压取样，还可以根据需要接成角-角和单相接法。
Claims (7)
1.传感器式高压电能计量方法，包括用电流法进行电压取样，采集正比于高压侧电压U的电压信号u，经过处理后，输入电能计量单元，其特征在于：
a、I/i贯穿式电流取样法采集正比于高压侧电流I的电流信号i，经过处理后，输入电能计量单元；
b、用I/P电源供电回路取得电压信号，经过处理后，提供电能计量单元所需电源Vcc；
c、电能计量单元对输入的电压信号u和电流信号i进行电能计量；
所述用I/P电源供电回路取得电压信号，是指I/P电源供电回路在三相负载电流导线处分别接入三支用于电流取源的微型电流传感器，负载电流分别流过微型电流传感器，微型电流传感器的二次侧连接储能元件和电池组，电池组的输出端为电源Vcc；
所述电流法进行电压取样采用V/I/v标准电压取样回路，包括在被测电压端设置由一个具有标准/固定阻抗的一次阻抗、一个具有标准/固定阻抗的二次阻抗、一个微型电流传感器和一个电位器构成的高压传感器，一次阻抗与微型电流传感器的输入端串联后，与被测电压之两端连接，微型电流传感器的输出端与二次阻抗并联，微型电流传感器的两端与电压计量、监控或保护装置的电压信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的传感器式高压电能计量方法，其特征在于：I/i贯穿式电流取样法是将一只或多只贯穿式微型电流传感器，制作成一次绕组为单匝或穿心式能承担被测电流的绕组，二次绕组输出正比于高压电流，并适应微机或计量需要的mA级或μA级标准微电流信号。
3.根据权利要求2所述的传感器式高压电能计量方法，其特征在于：所述I/i贯穿式电流取样法中的微型电流传感器的二次侧形成等比于被测电流I的二次电流i，该二次电流i经补偿满足计量精度要求后，输入到电能计量单元进行电能计量，I/i的比值乘入电能计量单元。
4.根据权利要求2所述的传感器式高压电能计量方法，其特征在于：所述I/i贯穿式电流取样法中的微型电流传感器的连接有Y-y、V-v、单相三种方式。
5.根据权利要求1所述的传感器式高压电能计量方法，其特征在于：处理是指微型电流传感器的一次绕组与二次绕组之间设置高低压隔离处理、电磁屏蔽和防静电处理。
6.根据权利要求1所述的传感器式高压电能计量方法，其特征在于：用I/P电源供电回路通过将负载电流流过微型电流传感器产生的电压，进行整流、滤波取出需要的电能，提供电能计量单元所需电源Vcc。
7.根据权利要求1所述的传感器式高压电能计量方法，其特征在于：电能计量单元采用原有计量模块，将电压u、电流I和I/i的比值乘入电能计量单元进行计量，计量结果通过显示器显示或者输出。
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Assignee: Shandong Jibao Electric Co.,Ltd. Assignor: Zibo Jibao Mutual Inductor Research Institute Contract record no.: 2012370000017 Denomination of invention: Sensor type high tension electricity energy gauging method Granted publication date: 20101201 License type: Exclusive License Open date: 20080924 Record date: 20120319 |
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