CN102156219B - 多功能一体化高压计量装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能一体化高压计量装置，用于提高计量精度并降低装置的体积和成本。其技术方案是：它包括三相电压互感器、三相电流互感器、计量控制电路和由电动操作机构控制的高压开关，所述三相电压互感器和三相电流互感器分别采集高压供电线路的电压和电流信号，它们输出的计量信号接计量控制电路的信号输入端，所述高压开关串联于高压供电线路中，其电动操作机构的控制端接计量控制电路的控制信号输出端。本发明采用一体化设计,在提高计量精度的同时，还避免了功能器件的重复设置，从而有效减小了计量装置的体积，降低了制造成本。

Description

多功能一体化高压计量装置

技术领域

本发明涉及一种适用于10kV高压供电线路的电能计量装置，属计量技术领域。

背景技术

目前，10kV线路计量装置一般由2台（或3台）10kV电磁式电压互感器、2台（或3台）10kV电磁式电流互感器、一块电子式三相电能表、“费控”装置、10kV开关及其电动操作机构组成，各部件分体安装，松散组合在一起。10kV电磁式电压互感器将10kV高电压转换为100V的低电压输出，10kV电磁式电流互感器将10kV电压等级的大电流转换为低压5A的电流输出。电压互感器输出的100V电压接入三相电能表后，一路经分压网络进行二次降压后送人电能计量单元，另一路经隔离变压器后送人电能表的电源模块，为电能表提供工作电源。电流互感器输出的5A电流信号接入三相电能表后，经内置的电磁式小型电流互感器转换为mA级的电流信号传送给电能计量单元。电压互感器输出的100V电压接入“费控”装置后，一路经分压网络进行二次降压后传送给“费控”功能处理单元；另一路经隔离变压器后传送给“费控”装置的电源模块，为“费控”装置提供工作电源。电流互感器输出的5A电流信号接入“费控”装置后，经内置的电磁式小型电流互感器转换为mA级的电流信号传送给“费控”功能处理单元。这种高压电能计量装置存在以下不足：

由于电能表和“费控”装置分体安装，导致部分功能器件重复设置，增加了计量装置的制造成本，而且装置体积较大，通常需要一个专门的仪表箱，安装时外挂在开关柜/箱上。

为了治理谐波污染，要求计量设备能分辨谐波源用户并按下述方法计费：对于谐波源用户，计费总电能为基波电能加上其产生的谐波电能；对于非谐波源的用户，计费总电能为基波电能减去吸收的谐波电能。由于现有的高压计量设备采用同一通道测量基波和谐波，而谐波分量相对基波要小的多，因而谐波信号的信噪比很低，无法区别对待而实现高精准测量。

电磁式电流互感器采用铁芯材料，当被测电流含有直流分量时，二次输出端容易饱和，直流分量引入的剩磁将带来计量误差。只要用户的负载中含有电力电子产品，或者用户人为在用电回路中加入整流电路，就可以使电能表少计电能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种多功能一体化高压计量装置，以减小计量装置的体积，提高计量精度，降低安装难度。

本发明的问题是以下述技术方案实现的：

一种多功能一体化高压计量装置，构成中包括三相电压互感器、三相电流互感器、计量控制电路和由电动操作机构控制的高压开关，所述三相电压互感器和三相电流互感器分别采集高压供电线路的电压和电流信号，它们输出的计量信号接计量控制电路的信号输入端，所述高压开关串联于高压供电线路中，其电动操作机构的控制端接计量控制电路的控制信号输出端。

上述多功能一体化高压计量装置，所述计量控制电路包括信号调理电路、自适应带通滤波器组、采样保持电路、模数转换电路、计费微处理器、功率脉冲输出电路、费控微处理器、通信电路和继电器，所述信号调理电路包括电阻分压网络和可编程增益放大器，所述电阻分压网络的输入端接电压互感器的输出端，所述可编程增益放大器的输入端接电流互感器的输出端，信号调理电路的信号输出端依次经自适应带通滤波器组、采样保持电路、模数转换电路接计费微处理器的信号输入端口，所述功率脉冲输出电路的输入端接计费微处理器的有功功率输出端，输出端接校表仪器；所述费控微处理器通过通信接口与计费微处理器连接，通过通信电路与上位机通讯，并通过继电器控制高压开关的电动操作机构。

上述多功能一体化高压计量装置，所述自适应带通滤波器组包括基波带通滤波器、谐波带通滤波器和抗混叠滤波器，它们的输入端均接信号调理电路输出的待测信号，输出端依次经采样保持电路和模数转换电路的不同通道接计费微处理器，在谐波带通滤波器的输出端还设置有谐波可编程增益放大器。

上述多功能一体化高压计量装置，所述计量控制电路的构成中还包括锁相环电路，所述锁相环电路由鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器和分频电路组成，它们首尾相接成环形电路，所述鉴相器的输入端经施密特触发器接自适应带通滤波器组的输出端，压控振荡器的输出端接采样保持电路的采样脉冲信号输入端。

上述多功能一体化高压计量装置，所述电流互感器采用无铁芯的空心线圈。

上述多功能一体化高压计量装置，所述电压互感器的副边线圈包括计量绕组和供电绕组，所述计量绕组输出的计量信号分成两路，一路接信号调理电路的电阻分压网络，一路接计量控制电路的电源模块的输入端，所述供电绕组的输出端为高压开关的电动操作机构供电。

本发明采用一体化设计，由计量控制电路计量电能并根据计量结果控制供电回路高压开关的电动操作机构，同时还与设置在远方计量控制中心的上位机通讯。同传统计量装置相比，本发明避免了功能器件的重复设置，有效减小了计量装置的体积，降低了制造成本。本装置利用自适应带通滤波器组实现了基波和谐波信号的分离，提高了谐波测量的信噪比，很好地解决了由于谐波分量测量精度低而引起的电能计量误差大的问题；锁相环电路用于消除电网频率波动对采样的影响，保证了电能计量精度。电流互感器采用无铁芯的空心线圈，不会出现饱和现象，避免了引入直流分量进行窃电的行为。省去了内置小型电流互感器，减少了中间接口转换环节，从而减少了附加的转换误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电原理图；

图2是信号分离的原理图；

图3是分量频率跟踪原理图；

图4是空芯线圈的测量原理图。

图中各标号为：CT、CT1、CT2、CT3、电流互感器，PT1、PT2、PT3、电压互感器，K、高压开关，AC/DC、电源模块，S/H、采样保持电路，A/D、模数转换电路，PGA1、可编程增益放大器，PGA2、谐波可编程增益放大器，BP、带通滤波器，BP1、基波带通滤波器，BP2、谐波带通滤波器，LP、抗混叠滤波器，∫、数字积分器，SC、施密特触发器，PH、鉴相器，LPF、低通环路滤波器，VCO、压控振荡器,SJ、基波信号输出，SX、谐波信号输出, SL、谱分析信号输出。

具体实施方式

参看图1，本发明设有由电动操作机构控制的10kV高压开关K、2台或3台10kV电压互感器（图1中为3台）、2台或3台10kV电流互感器（图1中为3台）、一体化的计量控制电路；10kV电压互感器采用硅橡胶浇注干式绝缘，采用传统电磁式以便为设备提供电源，二次输出设计为双绕组以保证计量精度，一个为计量绕组，另一个为供电绕组；10kV电流互感器采用硅橡胶浇注干式绝缘，不含铁芯材料，采用空芯线圈原理，无直流饱和问题；一体化的计量控制电路主要包括信号调理电路、自适应带通滤波器组、锁相环电路、计费微处理器模块、费控微处理器、采样保持电路S/H、模数转换电路A/D、功率脉冲输出电路、控制继电器和通信电路；所述信号调理电路包括电阻分压网络和可编程增益放大器PGA1；10kV电流互感器和高压开关K串接在10kV线路中；10kV电压互感器接入线电压或相电压（图1中接相电压）；10kV电压互感器二次计量绕组输出100V电压传变信号，接入信号调理电路的电阻分压网络；10kV电压互感器二次供电绕组的交流220V输出接入高压开关的电动操作机构；10kV电流互感器输出的mV级信号接入信号调理电路的可编程增益放大器PGA1；计量控制电路的继电器控制高压开关的电动操作机构。

本发明将计量功能单元、“费控”单元进行一体化综合优化设计，采用DSP和ARM7 系列新器件作为核心器件，构成小型化、集成化的计量控制电路，避免了器件的重复设置，很容易装入开关柜/箱中。计量控制电路、10kV高压开关及其电动操作机构、干式绝缘的互感器有机组合为一体，装入一个封闭的箱体。这种一体化箱体的设计结构除了具有重量轻、体积小的优点外，还具有显著的防窃电性能：由于互感器二次电缆不外露，可以防止割断二次电缆的窃电行为；采用主站授权的电子密码锁，通过监视电子锁的状态可以防止非法开箱的窃电行为。

参看图4，本发明采用无直流饱和特性的空芯线圈式10kV电流互感器，可以防止直流技术窃电行为。空芯线圈式10kV电流互感器输出为mV级信号，具有微分输出特性，而计量控制电路的计费微处理器设有数字积分器∫，将二者有机相结合，空芯线圈式10kV电流互感器不需要附加额外的积分电路，计量控制电路也不需要内置小型电流互感器，减少了中间接口转换环节，从而消除了附加的转换误差。

空芯线圈CT采用非磁性的环氧树脂材料做骨架，在骨架上均匀密绕二次线圈。本实施例中共绕1375匝，圆环形骨架内径为70mm，外径为108mm，高4mm。这样的线圈参数设计漏感低，杂波少。

参看图2，本发明将自适应谐波电能计量新技术和抗谐波分量频率跟踪新技术相结合，实现了高精度的谐波计量功能。通过计算谐波的潮流方向，区分谐波源用户和非谐波源用户，进行电能质量监测，对于谐波源的用户，计费总电能为基波电能加上其产生的谐波电能；对于非谐波源的用户，计费总电能为基波电能减去其吸收的谐波电能；利用谱分析结果，实时自适应地调整带通滤波器组电路的中心频率、带宽、通带增益等参数，实现了基波和谐波信号的分离，提高了谐波测量的信噪比，很好地解决了由于谐波分量测量精度低而引起的电能计量误差大的问题；同时采用抗谐波分量频率跟踪新技术，采用带通滤波分离基波频率信号，由锁相环电路实时跟踪电网频率的变化，进一步减少了电能计量误差。

    图2中待测信号指电流互感器的二次绕组输出经可编程增益放大器PGA1放大后的信号，或电压互感器计量绕组输出信号经分压网络后的输出信号。LP为抗混叠滤波器，是简单的一阶RC无源滤波电路。在实施例中BP1的缺省参数设置为：中心频率50Hz、截止频率为48 Hz和52 Hz； BP2的截止频率缺省设置为10 Hz和2kHz；LP的截止频率缺省设置为5 kHz。谐波信号输出通道的参数由计费微处理器控制，具体控制过程为：图3中的谱分析信号输出，经采样保持电路S/H、模数转换电路A/D，传送给计费微处理器，由微处理器完成谱分析软件运算，由谱分析结果确定影响计费的严重的谐波分量频率范围，即需计量的谐波频率范围，依据此频率范围调整BP2的中心频率和带宽以及PGA2的增益。这种调整过程是根据谐波分量存在的情况动态实时进行的，所以称为自适应。

由于电网频率通常会有一定的波动，在一个变化的电网周期内，如果采用定时采样，将不会恰好采集到所需的固定点数，导致测量结果误差大。为了确保每周期内的均匀采样，本发明采用了锁相环电路进行硬件频率跟踪的方法。当谐波分量较大时，将使锁相环电路不能正常工作。

本发明采用抗谐波分量频率跟踪新技术，电压信号经带通滤波器抑制谐波分量而保留基波分量输出，再经锁相环电路产生采样脉冲信号，很好地解决了电网频率波动对电能计量的影响问题，同时避免了由于谐波分量干扰而产生错误的采样脉冲信号。具体原理如图3所示。

在图3中，电压互感器计量绕组输出的电压信号经电阻分压网络，传送给带通滤波器BP（缺省参数为：中心频率50Hz、截止频率为48 Hz和52 Hz），分离出基波分量，再经施密特触发器SC调理整形后形成一个与电网基波信号频率相同的方波信号，该方波信号作为锁相环电路的输入。本实施例采用集成的锁相环芯片，锁相环电路包括鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器和分频电路。采样脉冲输出传送给采样保持电路。

本发明中的自适应带通滤波器组可以设置多个带通滤波器，分别对应不同的谐波。

本发明设备适用于户外交流50HZ、10kV线路，可同时实现电能计量、防窃电、预付电费、电能质量监测、远程抄表和用电控制、智能报警等功能，具有集成度高、性价比好、体积小、重量轻、便于安装维护等优点。

本发明的计费微处理器采用TI公司的54x系列DSP芯片—TMS320VC5409，模数转换电路采用ADI公司的16位高速6通道A/D芯片—AD7656，自适应带通滤波器组采用Maxim公司的集成滤波器芯片MAX274、费控微处理器采用NXP公司的ARM7高端芯片LPC2478。

TMS320VC5409的多通道缓存串口和LPC2478的SPI口相连接，实现两个微处理器的数据传输。

Claims (5)

1.一种多功能一体化高压计量装置，其特征是，它包括三相电压互感器、三相电流互感器、计量控制电路和由电动操作机构控制的高压开关，所述三相电压互感器和三相电流互感器分别采集高压供电线路的电压和电流信号，所述三相电压互感器和三相电流互感器输出的信号接计量控制电路的信号输入端，所述高压开关串联于高压供电线路中，高压开关的电动操作机构的控制端接计量控制电路的控制信号输出端；

所述计量控制电路包括信号调理电路、自适应带通滤波器组、采样保持电路、模数转换电路、计费微处理器、费控微处理器、通信电路和继电器，所述信号调理电路包括电阻分压网络和电流可编程增益放大器，所述电阻分压网络的输入端接电压互感器的输出端，所述可编程增益放大器的输入端接电流互感器的输出端，信号调理电路的选通信号输出端依次经自适应带通滤波器组、采样保持电路、模数转换电路接计费微处理器的信号输入端口；所述费控微处理器通过通信接口与计费微处理器连接，并通过通信电路与上位机通讯、通过继电器控制高压开关的电动操作机构。

2.根据权利要求1所述多功能一体化高压计量装置，其特征是，所述自适应带通滤波器组包括基波带通滤波器、谐波带通滤波器和抗混叠滤波器，它们的输入端均接信号调理电路输出的待测信号，输出端依次经采样保持电路和模数转换电路的相应通道接计费微处理器，在谐波带通滤波器的输出端还设置有谐波可编程增益放大器。

3.根据权利要求2所述多功能一体化高压计量装置，其特征是，所述计量控制电路的构成中还包括锁相环电路，所述锁相环电路由鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器和分频电路组成，它们首尾相接成环形电路，所述鉴相器的输入端经施密特触发器接自适应带通滤波器组的输出端，压控振荡器的输出端接采样保持电路的采样脉冲信号输入端。

4.根据权利要求3所述多功能一体化高压计量装置，其特征是，所述电流互感器采用无铁芯的空心线圈，线圈匝数为1375匝，骨架为圆环形，外径为108mm，高4mm。

5.根据权利要求4所述多功能一体化高压计量装置，其特征是，所述电压互感器的副边线圈包括计量绕组和供电绕组，所述计量绕组输出的计量信号分成两路，一路接信号调理电路的电阻分压网络，一路接计量控制电路的电源模块的输入端，所述供电绕组的输出端为高压开关的电动操作机构供电电源。

Images