CN102680780B - 运用光纤传输信号的低压电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运用光纤传输信号的低压电能计量装置，三相电能采集装置与将电能参数进行显示的上位机连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压，电流进行采集的计量芯片采集模块，计量芯片采集模块进行AD转换后信号存储在数据存储模块里，由MCU微控制器对数据进行选择输出，通过SPI总线传输到光发射模块，光发射模块把电脉冲信号转换成光信号，光信号通过光纤远距离传输给光接收模块，光接收模块将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光电转换成为电脉冲信号，并还原成为标准的数字脉冲信号，再由上位机实现数字信号的显示功能。本发明减小电能计量的综合误差，提高计量精度，防范了窃电。

Description

运用光纤传输信号的低压电能计量装置

技术领域

本发明涉及一种低压电能计量装置。

背景技术

传统低压计量装置由计量表计、二次回路接线、联合接线盒、电流互感器按照规定的接线方式组合而成，其接线方式至今未有变化。只是由原来的电磁感应式电能表发展到现在广泛使用的电子式电能表。但电流互感器传输到电子式电能表仍然是模拟信号，随着电力技术的发展，这种信号传输方式已经不能适应智能化电网的发展要求。信号数字化是建设智能电网的前提,也是必然趋势。目前，国内智能化变电所已经广泛采用光纤作为信号的传输手段，且技术也已经较成熟，但遗憾的是在计量装置上还未得到运用。传统低压计量装置中电流互感器到表计接线数目多达10根，不仅接线繁琐、易出错，且这种以模拟量传输信号的方式局限性也比较大，很大程度上制约了电能计量装置的发展。当前在光通信迅速发展的背景下，把抗干扰能力强的光纤通讯技术应用到低压电能计量装置上，是一个值得研究的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的运用光纤传输信号的低压电能计量装置。

本发明的技术解决方案是：

一种运用光纤传输信号的低压电能计量装置，其特征是：包括三相电能采集装置，三相电能采集装置与将电能参数进行显示的上位机连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压，电流进行采集的计量芯片采集模块，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电压、电流、功率因数、有功/无功功率、有功/无功电能信号存储在数据存储模块里，由MCU微控制器对数据进行选择输出，通过SPI总线传输到光发射模块，光发射模块把电脉冲信号转换成光信号，光信号通过光纤远距离传输给光接收模块，光接收模块将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光电转换成为电脉冲信号，并还原成为标准的数字脉冲信号，再由上位机实现数字信号的显示功能；一个电源模块为计量芯片采集模块、MCU微控制器提供电源，另外一个电源模块为液晶显示器提供电源。。

所述计量芯片采集模块主要由电压采集电路和电流采集电路组成，其中电压采集电路将220V左右交流电压信号转化为采集芯片所需的+-700mV以内的电压信号，电流采集是通过0.2S级精度的电流互感器输出一个5A以下的电流信号给电流采集电路，将大电流转换为+-700mV以内的电压信号提供给采集芯片进行处理。

电源模块电源是取自三相电压，使用其中一相作为工作电源，即使在任意一相或两相失电情况下，仍然可以保证系统工作，使整个系统能可靠运行；A、B、C三相取电压然后都经过变压器、整流桥、滤波、7805稳压电路到5V，然后每一路都和一个二极管串联后再将三路并联使用，当且仅当某相的电压最高时就采用该项作为工作电源，这样即使一相甚至两相电压为零，系统照样可以正常的工作。

数据存储模块是存储测得的电能数据，保证停电后测量的数据不丢失，存储芯片采用内存为512*8bit的非易失性铁电存储芯片FM25040，可读写一百亿次，数据保存能力为10年，其与单片机的通讯方式为SPI总线方式。

本发明解决了传统计量装置的一些弊端，减小电能计量的综合误差，提高计量精度；简化了低压电能计量装置，便于装接人员的安装；避免了计量错误接线的发生，解决了计量错误接线的难题；去除计量的二次回路，防范了窃电。

本发明对传统低压计量装置的改进，把原来计量二次回路的电流、电压模拟信号变为各项电力参数的光信号来传输，主要部分由三相电能采集装置和光纤收发模块（SFP）构成，在电力系统中，区别于传统的计量装置，本三相电能采集装置内置电流互感器和嵌入式电能计量模块。通过光纤收发模块（SFP）完成与电力参数和显示器之间的数据传输。

光纤传输信号的低压电能计量装置技术接线简单,所有电力参数都保存在三相电能采集装置内，通过光纤传输电能计量信号，解决了传统计量装置的一些弊端：

（1）避免了计量错误接线的发生，解决了计量错误接线的难题。

计量装置是由电能表、互感器、联合接线盒、二次回路连接导线构成，接线点多，极易发生误接线。二次回路的错误接线会引起电能表计量不正确，传统错误接线48种，理论上72种。检查二次回路还需要用专用设备，因为错误接线不易被发现。而发生错误接线以后，退补电量的多少也是难以保证正确性的。通常按照公式计算退补电量数值，计算的前提是基于三相平衡情况下的，我们知道用户三相实际上是不平衡的，所以计算出来的电量也不是真实的。用一些不真实的数据来与用户协商退补电量时，对用户以及电力企业来说是都是不公正的。所以从根本上解决错误接线，只有去除二次回路连接线；

（2）减小电能计量的综合误差，提高计量精度。

电能计量装置由电能表、计量用电压、电流互感器及其二次回路构成。电能计量装置综合误差为电能表误差与计量用电压、电流互感器以及计量互感器二次回路压降合成误差的代数和。表达式如下:

γ=γb+γd+γe

其中:

γ电能计量装置综合误差;

γb电流、电压互感器合成误差:

γd电流、电压互感器二次回路压降合成误差;

γe电能表误差。

这三部分误差不仅有各自的特点和规律，而且由于接线方式、使用条件变化等因素引起的综合误差的计算方法亦有所不同。本系统采用的光纤传输媒介，替代了传统的10线接线方式。由于采用了光纤作为传输的媒介，避免了传输的损耗和窃电现象的发生。由于传统的低压电能计量装置在三相采样端用了电流互感器、联合接线盒以及二次连接导线，在综合误差表达式中体现为γe。而本系统所采用的三相电能计量装置区别于传统的低压电能计量装置，把电流互感器以及电能计量模块集成在三相采样端，直接将采集到的数据通过光纤传输给液晶显示，省去了二次回路导线以及联合接线盒；避免了电流互感器二次回路损耗造成的合成误差。即γd的得到显著减小，使得整个系统的综合误差明显的得到降低，精度提高。

（3）简化计量装置方案，便于装接人员的安装测量。

针对本文所论述的光纤通讯计量装置，简化了二次回路的接线。裝接人员只要连接光纤，因而没有了繁琐的接线。省去了铜导线，便于装接人员的安装，节约了成本。

（4）去除计量的二次回路，防范了窃电。

相比于传统的计量装置，我们所采用光纤通讯的计量装置，有效的防范了用户窃电的发生。因为管理中存在的不到位和不规范，在二次回路上的任何一个接点都有可能成为窃电隐患。断流、失压、短接电流以及使其接触不良还有技术型窃电，防不胜防。采用光纤通信的计量装置可以解决这些难题。三相电能采集装置为全封闭型，所有数据都存储在里面，即使光迁和显示仪表被拆除也不会影响计量，显示仪表只是用来显示电能参数，即使想动手脚也无从下手。

光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的先进通信手段。光纤通信有以下的优点：

①传输频带宽，通信容量大，通讯速率高。

②连接距离远、通信性能好。

③体积小、重量轻，可挠性、抗酸碱、抗腐蚀强，敷设方便，可埋地或架空架设。

④输人与输出间电隔离，不怕电磁干扰，保密性好，无漏信号和串音干扰。

目前光纤通信技术已经成熟，较其他通信方式的优越之处在于它对电磁干扰不敏感。随着光缆技术的提高和生产成本的不断下降，光缆的性价比将继续提高，因此在配电自动化系统中，作为通信干道，光纤通信将被广泛地采用.

技术指标

运用光纤通讯低压电能计量装置的总体技术指标：

①用于数据传输的光纤通信，传输距离可达几百至几千米，其工作速率为155Mbps~2.125Gbps。

②符合供电企业的企业审核指标。

③数字化输出，可输出：电压、电流、有功功率、无功功率、频率、电能等数据。

④计量芯片测量精度：有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC62053-22，GB/T 17883-1998标准；无功测量满足2级、3级，支持IEC 62053-23，GB/T 17882-1999标准；提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0.5%。

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是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明系统结构方框图。

图3是传统低压计量装置接线图。

具体实施方式

一种运用光纤传输信号的低压电能计量装置，包括三相电能采集装置1，三相电能采集装置与将电能参数进行显示的上位机2连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压，电流进行采集的计量芯片采集模块3，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电压、电流、功率因数、有功/无功功率信号存储在数据存储模块4里，由MCU微控制器5对数据进行选择输出，通过SPI总线及通讯模块6传输到光发射模块7（光电转换模块），光发射模块把电脉冲信号转换成光信号，光信号通过光纤8远距离传输给光接收模块9（光电转换模块），光接收模块将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光电转换成为电脉冲信号，并还原成为标准的数字脉冲信号，再由上位机2实现数字信号的显示功能；一个电源模块10为计量芯片采集模块、MCU微控制器提供电源，另外一个电源模块为液晶显示器提供电源。

图中还有时钟电路模块11。

所述计量芯片采集模块主要由电压采集电路和电流采集电路组成，其中电压采集电路将220V左右交流电压信号转化为采集芯片所需的+-700mV以内的电压信号，电流采集是通过0.2S级精度的电流互感器输出一个5A以下的电流信号给电流采集电路，将大电流转换为+-700mV以内的电压信号提供给采集芯片进行处理。

电源模块电源是取自三相电压，使用其中一相作为工作电源，即使在任意一相或两相失电情况下，仍然可以保证系统工作，使整个系统能可靠运行；A、B、C三相取电压然后都经过变压器、整流桥、滤波、7805稳压电路到5V，然后每一路都和一个二极管串联后再将三路并联使用，当且仅当某相的电压最高时就采用该项作为工作电源，这样即使一相甚至两相电压为零，系统照样可以正常的工作。

数据存储模块是存储测得的电能数据，保证停电后测量的数据不丢失，存储芯片采用内存为512*8bit的非易失性铁电存储芯片FM25040，可读写一百亿次，数据保存能力为10年，其与单片机的通讯方式为SPI总线方式。

Claims (1)

1.一种运用光纤传输信号的低压电能计量装置，其特征是：包括三相电能采集装置，三相电能采集装置与将电能参数进行显示的上位机连接；所述三相电能采集装置包括对三相电压、电流进行采集的计量芯片采集模块，计量芯片采集模块进行AD转换后进行运算，得到电压、电流、功率因数、有功/无功功率、有功/无功电能信号存储在数据存储模块里，由MCU微控制器对数据进行选择输出，通过SPI总线传输到光发射模块，光发射模块把电脉冲信号转换成光信号，光信号通过光纤远距离传输给光接收模块，光接收模块将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光电转换成为电脉冲信号，并还原成为标准的数字脉冲信号，再由上位机实现数字信号的显示功能；一个电源模块为计量芯片采集模块、MCU微控制器提供电源，另外一个电源模块为液晶显示器提供电源；所述计量芯片采集模块主要由电压采集电路和电流采集电路组成，其中电压采集电路将220V左右交流电压信号转化为采集芯片所需的+-700mV以内的电压信号，电流采集是通过0.2S级精度的电流互感器输出一个5A以下的电流信号给电流采集电路，将大电流转换为+-700mV以内的电压信号提供给采集芯片进行处理；电源模块电源是取自三相电压，使用其中一相作为工作电源，即使在任意一相或两相失电情况下，仍然可以保证系统工作，使整个系统能可靠运行；A、B、C三相取电压然后都经过变压器、整流桥、滤波、7805稳压电路到5V，然后每一路都和一个二极管串联后再将三路并联使用，当且仅当某相的电压最高时就采用该项作为工作电源，这样即使一相甚至两相电压为零，系统照样可以正常的工作；数据存储模块是存储测得的电能数据，保证停电后测量的数据不丢失，存储芯片采用内存为512*8bit的非易失性铁电存储芯片FM25040，可读写一百亿次，数据保存能力为10年，其与单片机的通讯方式为SPI总线方式。