CN102707139A - 一种高压三相电能计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压三相电能计量方法及装置，在高压三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；电能计量单元位于指定相的高电位端，电能计量单元内设有发射模块；电流信号采集部分包括两个电流传感器，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的一次线圈安装在非指定相的高电位，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的二次线圈连接到电能计量单元；电压信号采集部分采用两个相间分压器，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂连接在指定相的高电位端，高压臂与非指定相连接，分压臂与电能计量单元连接。

Description

一种高压三相电能计量方法及装置

技术领域

本发明属于电能计量技术领域，具体涉及一种高压三相电能计量方法及装置。特别涉及到一种电量采集、数据处理和通信都在同一点高电位实现的电能计量装置。

背景技术

现有电能计量技术存在很多问题。考虑到高压电能计量装置的数量特别巨大，这些问题带来的后果会很严重。

首先，现有的高压计量装置是由分立的电流、电压互感器和低压电能表一起构成的。只能知道电流、电压互感器和低压表计的误差，不能直接测量得到高压计量装置的整体误差。其次，电力互感器耗费材料，特别是金属材料的数量大，不符合当前国际国内节能降耗的要求。第三，低压表计设置在低电位，容易发生接线错误，造成电量错记。特别是不容易避免窃电活动的发生。大量的窃电是供电企业盈利下降的主要原因之一。第四，铁磁型电力互感器的使用容易导致铁磁谐振，从而诱发电力系统重大事故。第五，现有的互感器和计量装置体积大、占用空间大，急需改进。第六，现有的一些新技术可以部分地解决上述问题，但是它们又带来了一些新的问题。例如：将三相电量分别做计量和总加带来同步难度大的问题、通信复杂的问题、数据处理准确度较差的问题、技术过于复杂导致计量装置产品质量低下的问题以及相应的产品制造成本过高的问题。

现在已有的高电压电能计量方法有很多种。可以分为以下三类：

第一种，分别用传统电磁型电流、电压互感器将高电压、大电流降低成为通用的低电压、小电流（例如：额定电压100伏,额定电流5安或1A），然后用低压电能表进行电能计量。这种技术的优点在于：它是一种经典的技术。计量准确度和产品质量稳定。它的缺点很多：耗费大量材料特别是有色金属、无法整体检验误差、容易发生铁磁谐振事故、计量准确度低。

第二种，用非传统的电压和电流传感器替代传统电磁型互感器，同低压标准或非标准电能表一起构成电能计量装置。现在的多家高压电能表就使用这个原理制成的。这一类技术的特点是，电能计量的信号传感、数据处理和通信都是在低压侧完成的。它的优点在于电流、电压传感器小型化，以及传感器与低压电能表一体化。这导致材料的节省和体积的减少。它的缺点在于，这种技术在本质上与传统的技术原理完全是一样的。技术并没有本质的进步。

第三种，利用将非传统电流、电压传感器置于高电位端，在高压侧获取A、B、C三相的电压和电流信号。使用计算机芯片和电子线路构造成的电能计量单元，分别在高压电的A、B、C三相对各相电流、电压进行信号处理和计算，得到每相的电能量。最后，对三相各自的电能量进行总加和累加得到三相电能计量结果。这种技术的主要特点是：电能计量的信号传感、数据处理和通信都是在高压侧完成的。它可以导致材料特别是金属材料大幅的节省。最为突出的优点在于这种技术可以导致传感器和表计的完全融合。很容易实现一体化整体校验。它的另一个优点在于，整个装置的抗受雷击和操作过电压的能力大为提升。它的缺点在于：三相电能计量是由在A、C相单独进行的电能计量传导至B相做总加和累加完成的。这将会导致相间光纤通信通道的增加。除了增加生产制造成本外，这种结构还会增加高压电能表的故障发生概率。

以上是依照所谓“三表法”进行计量的。对中心点不接地系统，还可以利用“两表法”完成三项电能计量。这种技术的主要特点是：少用一个电流互感器、电压互感器和计量单元，比三表法节省金属材料。

专利申请号为200810002310.1的《高压电能直接计量系统和方法》电流采集模块分别位于A、C相，与A、C相同电位，计量单元分为两部分，分别位于A、C相，然后在B相进行综合累加；该方案中不仅计量单元多，而且计量单元件间需要通讯环节，提高了制造成本，结构复杂，降低了功能的可靠性。

发明内容

本发明的目的是要解决上述的技术问题，提供一种高压三相电能计量装置。将三相高电位电流和电压传感信号能够直接连接至某一相的高电位上，使在该高电位上的电能计量单元实现电能计量。从而避免现有的电能计量方法存在的问题和不足。

本发明的技术方案：本发明的一种高压三相电能计量方法：将三相交流电确定一个为指定相，其它两相为非指定相，采用两表法原理测量三相电能的方法，方法是在高压侧测量三相电能量：

1）在指定相的高电位端设置电能计量单元，电能计量单元以指定相的高电位端为模拟地，电能计量单元配备有工作电源和通信单元；

2）电能计量单元使用两个非指定相电流信号作为计量所需电流信号；

3）测得非指定相与指定相的相间电压作为计量所需电压信号；

4).电能计量单元依照“两表法”原理设计算电能：

$p=u_{\mathrm{ab}}{i}_a+u_{\mathrm{cb}}{i}_c---\left(1\right)$

该公式以B相为指定相，A、C相为非指定相为例：P代表功率、uab为A、B相相间电压，ucb为C、B相相间电压，ia 为A相的电流信号，ic为C相的电流信号，功率对时间做积分运算就可以的得到电能量。

所述的高压三相电能计量方法，在高压侧通过分压法测得非指定相与指定相的相间电压信号；用绝缘隔离的电流传感器测得非指定相的电流，将电流传感器的二次侧电流信号传到指定相的高电位端，获取非指定相的电流信号；

三相总功率的表达式：

$p{=K}_U{u}_{\mathrm{ab}2}{K}_I{i}_{a2}+K_U{u}_{\mathrm{cb}2}{K}_I{i}_{c2}---\left(2\right)$

式中：

uab2－为A、B相分压法所测值，ucb2－为C、B相分压法所测值；

ia2－为A相的电流传感器二次侧电流信号，ic为C相的电流传感器二次侧电流信号；

K_I—相间电流传感器的变比，K_I＝i_a/i_a2＝i_c/i_c2

K_U—相间电压传感器的变比，K_U＝u_ab/u_ab2=u_cb/u_cb2。

所述的高压三相电能计量方法，利用电容分压器或者专用分压器为处在指定相高电位端的电能计量单元提供工作电源能量。

本发明的高压三相电能计量装置包括电流信号采集部分、电压信号采集部分和电能计量单元，在高压三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；电能计量单元位于指定相的高电位端，电能计量单元内设有发射模块，可实现数据的无线通讯；电流信号采集部分包括两个电流传感器，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的一次为非指定相电位，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的二次线圈连接到电能计量单元，为指定相电位；电压信号采集部分采用两个相间分压器，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，低压臂分压信号接入电能计量单元。

所述的相间分压器使用非铁磁型传感器，如电容分压器或电阻分压器或阻容分压器。

所述的电流传感器的一、二次之间绝缘隔离，耐压水平是按照相间电压水平设计的。

所述的电能计量单元的工作电源由三相交流电分压供给，包括第三相间分压器V1和第四相间分压器V2，第三相间分压器V1和第四相间分压器V2的低压臂都连接到工作电源。

所述的高压三相电能计量装置，将所述的电能计量单元、工作电源和通信单元利用金属屏蔽盒封装。

所述的高压三相电能计量装置，将所述的电流信号采集部分、电压信号采集部分和电能计量单元、工作电源和通信单元利用绝缘材料封装在一体，形成一个直接接入式的高压电能计量装置。

将所述的电流信号采集部分、电压信号采集部分、电能计量单元、第三相间分压器V1和第四相间分压器V2、工作电源和通信单元利用绝缘材料封装在一体，形成一个高电压直接接入式的电能计量装置。

本发明的优点：

1.电流信号用绝缘隔离的方法传感到了指定相的高电位，这为本发明的方案设计奠定了理论上的基点和基础；计量所需电压、电流信号全部以指定相为模拟地，计量功能可以集中实现，省去了位于非指定相的计量电路，省去原有方案中的通讯环节，节省了制造成本并提高了功能的可靠性，且降低了整个设备的运行功耗。

2.电压信号用分压器的方法传感到了指定相的高电位，高压取能分压器更容易实现，电压信号分压器和电流传感器负载为高阻抗电子线路，设计容量极低，相对于传统的电压、电流互感器体积重量大大的降低，使产品小巧轻便，大幅度节约了制造成本。

3. 将低压三相电能表的构成原理、硬件、软件和算法、廉价器件等移植到了指定相的高电位，在高电位上实现“两表法”电能测量原理，计量功能的实现与传统的低压表计类似，可以借鉴现有成熟的经验，且校验系统也可以通用。也有利于新产品质量的稳定和提高。

4.电能计量单元、工作电源和通信单元一起被封装在高电位的金属屏蔽盒中。目的在于提高装置的抗电磁干扰能力.保证和提高各部件和装置的高电压绝缘水平。

本发明与现有技术相比较：

1. 本发明的装置体积更小、占用空间更小，结构更简单；

2.节省更多材料。降低高压本体生产成本；

3.更容易实施新的高电压电能计量装置的误差整体校验；

4.本发明高压电能计量装置准确度更高。

附图说明

图1是本发明的装置原理框图。

具体实施方式

本发明是一种在3-35kV高压侧按照“两表法”原理构造直接接入式电能计量装置的方法以及据此制成的装置。

本发明的一种高压三相电能计量方法，是将三相交流电确定一个指定相，其它两相为非指定相，采用两表法原理测量三相电能的方法，方法是在高压侧测量三相电能量：

1）在指定相的高电位端设置电能计量单元，电能计量单元以指定相的高电位端为地，电能计量单元配备有工作电源和通信单元；

2）电能计量单元使用两个非指定相电流信号作为计量所需电流信号；

3）测得非指定相与指定相的相间电压作为计量所需电压信号；

4).电能计量单元依照“两表法”原理设计算电能：

$p=u_{\mathrm{ab}}{i}_a+u_{\mathrm{cb}}{i}_c---\left(1\right)$

该公式以B相为指定相，A、C相为非指定相为例：P代表功率、uab为A、B相相间电压，ucb为C、B相相间电压，ia 为A相的电流信号，ic为C相的电流信号。

优选地，所述的高压三相电能计量方法，在高压侧通过分压法测得非指定相与指定相的相间电压信号；用绝缘隔离的电流传感器测得非指定相的电流，将电流传感器的二次侧电流信号传到指定相的高电位端，获取非指定相的电流信号；

三相总功率的表达式：

$p=K_U{u}_{\mathrm{ab}2}{K}_I{i}_{a2}+K_U{u}_{\mathrm{cb}2}{K}_I{i}_{c2}---\left(2\right)$

式中：

uab2－为A、B相分压法所测值，ucb2－为C、B相分压法所测值；

ia2－为A相的电流传感器二次侧电流信号，ic为C相的电流传感器二次侧电流信号；

K_I—相间电流传感器的变比设计，K_I＝i_a/i_a2＝i_c/i_c2

K_U—相间电压传感器的变比，K_U＝u_ab/u_ab2=u_cb/u_cb2。

所述的高压三相电能计量方法，利用电容分压器或者专用分压器为处在指定相高电位端的电能计量单元提供工作电源能量。

图1是本发明的装置原理框图：本发明的一种高压三相电能计量装置，包括电流信号采集部分、电压信号采集部分和电能计量单元，在高压三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；电能计量位于指定相的高电位端，电能计量单元内设有发射模块；电流信号采集部分包括两个电流传感器，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的一次为非指定相电位，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的二次线圈连接到电能计量单元，为指定相电位；电压信号采集部分采用两个相间分压器，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，低压臂分压信号接入电能计量单元。

所述的相间分压器使用电容分压器或电阻分压器或阻容分压器。图中C1、C2组成的第一相间分压器U1和C3、C4组成的第二相间分压器U1。

或电阻分压器：图中R1、R2组成的第一相间分压器U1和R3、R4组成的第二相间分压器U1。

或阻容分压器: 图中R5、C5组成的第一相间分压器U1和R6、C6组成的第二相间分压器U1。

所述的电流传感器的一、二次线圈之间使用绝缘材料隔离，耐压水平是按照相间电压水平设计的。

所述的电能计量单元的工作电源由三相交流电分压供给，包括由两组电容CB、CL组成的第三相间分压器V1和第四相间分压器V2, 第三相间分压器V1和第四相间分压器V2都连接到工作电源。

所述的高压三相电能计量装置，将电能计量单元等弱电部分利用金属屏蔽盒封装在一体，其作用在于对高压电磁场进行屏蔽，减弱或避免高压电磁场对这些部件及其电路的干扰和影响。

将所述的电流信号采集部分、电压信号采集部分、电能计量单元、第三相间分压器V1和第四相间分压器V2、工作电源和通信单元利用绝缘材料封装在一体，形成一个高电压直接接入式的电能计量装置。图1是以B相为指定相的原理框图。

当指定相为A相时，非指定相为B相和C相。电流为ia、ib；

当指定相为C相时，非指定相为A相和B相。电流为ia、ib。

本发明非指定相的电流传感信号通过绝缘隔离手段引入到指定相（以B相为例）的高电位。电流传感器可以采用各种有磁心或无磁心的线圈构成。使用高强度的绝缘材料将通过线圈的一次电流的导体和二次线圈导线之间做绝缘隔离。使得一次电流导体和二次线圈导体之间能够耐受三相电的相间电压。一次电流导线此刻在非指定相电位上，将二次线圈的导线引至指定相并使它的电位为指定相的高电位。以便于和将要获取的电压传感器二次导线处于同一电位，为信号集中处理提供可能。

在图1中，电压传感是通过利用分压器实现的。电压传感的新颖性关键点在于将分压器的分压臂（取小信号端）设置在指定相。即，将分压器的低压臂一端与指定相（以B相为例）连接。相间的电压主要由分压器的高压臂承载。这样做的目的在于将电能计量所需要的相间电压信号传感到指定相高电位集中待处理。

在指定相的高电位端得到了上述电压传感信号和电流传感信号之后，可以交给电能计量单元处理。电能计量单元的构成原理和方法与低压电能表相同。电能计量单元可以是单相处理（原理如公式1所示）后总加得到三相电能量值。也可以是直接对全部信号一次性处理（原理如公式2所示的两表法）从而得到三相电能量值。电能计量单元具备计量结果储存功能。在高电位运行的电能计量单元与低压电能表的运行环境不同。需要对电能计量单元进行专业的的电磁屏蔽保护设计。此外，电能计量单元的功耗设计也不同于传统的低压电能表的方法。

如图1所示，本发明的实施还需要考虑电能计量单元的供电电源设计方案。供电电源可以通过专用或公用的分压器取能并供给电能计量单元，使电能计量单元能够正常工作。供电电源同样是工作在指定相的高压端的。供电电源除了为电能计量单元提供工作电源外，还需要为后面提及的通信单元提供工作电源。所以，供电电源自身的可靠性和功率保证能力是一个重要的设计工作。

如图1所示，在本发明方案及据此制成的装置中，传感器、电能计量单元都处在指定相的高电位上。所以，电能计量结果需要通过通信传递到低电位（也不排出其他的高电位）指定的装置或者网络，提供给电能计量结果的需要者。通信单元可以使用（包括但不限于）光纤、小无线、红外和GPRS作为通信媒介和指定装置或者网络完成通信，从而把电能量和其他电气量的计量和测量结果发往目的物，从而完成计量结果从高电位端到低电位端的通信传递。

如图1所示，本发明方案及其构成的计量装置是由电压传感器、电流传感器和电能计量单元等构成。可以将它们封装在一起，形成一个一体化的整体装置。也可以分别封装制造为二个或多个分体，在使用的时候将它们连接成为一个整体装置。

本发明可利用锂电池和/或超级电容器作为备用电源，以备停电或事故时电能计量单元存储和记忆电能量值。

本发明的核心是在指定相的高电位端设置电能计量单元，计量所需所有的信号全部以指定相电位为模拟地，因此，电能计量可以在指定相全部完成。因此，凡是计量所需所有的信号全部以指定相电位为模拟地的，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压三相电能计量方法，是将三相交流电确定一个指定相，其它两相为非指定相，采用两表法原理测量三相电能的方法，在高压侧测量三相电能量：

1）在指定相的高电位端设置的电能计量单元、工作电源和通信单元共同构成高电压计量装置，电能计量单元以指定相的高电位为工作电源的参考点电位；

2）电能计量单元使用两个非指定相电流作为电流输入信号；

3）电能计量单元使用非指定相与指定相的相间电压作为电压输入信号；

4) 依照“两表法”原理设计的电能计量单元工作在高电位下，其计算电能的原理如下：

$p=u_{\mathrm{ab}}{i}_a+u_{\mathrm{cb}}{i}_c---\left(1\right)$

该公式以B相为指定相，A、C相为非指定相为例，式中：P代表功率、uab为A、B相相间电压，ucb为C、B相相间电压，ia 为A相的电流信号，ic为C相的电流信号。

2.根据权利要求1所述的高压三相电能计量方法，其特征在于：在高压侧通过分压法测得非指定相与指定相的相间电压信号；用绝缘隔离的电流传感器测得非指定相的电流，将电流传感器的二次侧电流信号传到指定相的高电位端，获取非指定相的电流信号；

三相总功率的表达式：

$p=K_U{u}_{\mathrm{ab}2}{K}_I{i}_{a2}+K_U{u}_{\mathrm{cb}2}{K}_I{i}_{c2}---\left(2\right)$

式中：

uab2－为A、B相分压法所测值，ucb2－为C、B相分压法所测值；

ia2－为A相的电流传感器二次侧电流信号，ic2为C相的电流传感器二次侧电流信号；

K_I—相间电流传感器的变比设计，K_I＝i_a/i_a2＝i_c/i_c2

K_U—相间电压传感器的变比，    K_U＝u_ab/u_ab2=u_cb/u_cb2。

3.根据权利要求1或2所述的高压三相电能计量方法，其特征在于：利用电容分压器或者专用分压器为处在指定相高电位端的电能计量单元提供工作电源能量。

4.一种用于权利要求1～3之一方法的高压三相电能计量装置，包括电流信号采集部分、电压信号采集部分、电能计量单元、工作电源和通信单元，其特征在于：在高压三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；电能计量单元、工作电源和通信单元位于指定相的高电位端，通信单元实现数据的通讯；电流信号采集部分包括两个电流传感器，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的一次线圈为非指定相电位，第一电流传感器L1和第二电流传感器L2的二次线圈连接到电能计量单元，为指定相电位；电压信号采集部分采用两个相间分压器，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，低压臂分压信号接入电能计量单元。

5.根据权利要求4所述的高压三相电能计量装置，其特征在于：相间分压器使用非铁磁型传感器，如电容分压器或电阻分压器或阻容分压器。

6.根据权利要求4或5所述的高压三相电能计量装置，其特征在于：电流传感器的一、二次之间绝缘隔离，耐压水平是按照相间电压水平设计的。

7.根据权利要求4或5所述的高压三相电能计量装置，其特征在于：电能计量单元的工作电源由三相交流电分压供给，包括第三相间分压器V1和第四相间分压器V2，第三相间分压器V1和第四相间分压器V2的低压臂都连接到工作电源的输入端。

8.根据权利要求4或5所述的高压三相电能计量装置，其特征在于：将所述的电能计量单元、工作电源和通信单元利用金属屏蔽盒封装。

9.根据权利要求4或5所述的高压三相电能计量装置，其特征在于：将所述的电流信号采集部分、电压信号采集部分、电能计量单元、工作电源和通信单元利用绝缘材料封装在一体，形成一个高电压直接接入式的电能计量装置。

10.根据权利要求7所述的高压三相电能计量装置，其特征在于：将所述的电流信号采集部分、电压信号采集部分、电能计量单元、第三相间分压器V1和第四相间分压器V2、工作电源和通信单元利用绝缘材料封装在一体，形成一个高电压直接接入式的电能计量装置。

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