CN102981083A - 自校准电能质量监测装置 - Google Patents

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CN102981083A CN2012105152016A CN201210515201A CN102981083A CN 102981083 A CN102981083 A CN 102981083A CN 2012105152016 A CN2012105152016 A CN 2012105152016A CN 201210515201 A CN201210515201 A CN 201210515201A CN 102981083 A CN102981083 A CN 102981083A
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Abstract

自校准电能质量监测装置，属于电力参数测量与电能质量监测技术领域，包括标准源、信号输入模块、ADC转换模块，有数字化测量单元和有智能化自校准单元。本发明除了连接标准源到PQM的信号线和按一下“自校准”键必不可少的人工以外，其它全部由本发明装置自身自动完成。

Description

自校准电能质量监测装置
技术领域
本发明属于电力参数测量与电能质量监测技术领域。
背景技术
电能质量监测装置（PQM）是对电力系统的各项电力参数进行综合测量和分析的专门仪器，电能质量监测装置可以看作是功能最全、要求最高的电力参数测量仪。
电力系统的各项电力参数主要包括：电压有效值和相角、电流有效值和相角、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、有功电能、无功电能、电压不平衡度、电流不平衡度、电压谐波、电流谐波、电压间谐波、电流间谐波、电压波动和闪变、暂态电压和暂态电流、瞬态电压和瞬态电流等。
测量精度是PQM最重要的性能指标，由于器件参数的分散性，PQM在出厂前必须逐台进行精度校准，出厂后也需要定期校准。过去，PQM的校准基本上都是人工的。
人工校准的方法是：将电压电流标准信号源（简称：标准源）同时加到PQM和标准表，标准表是专门用来校准其它电力参数测量仪的精度极高的电力参数测量仪。调校人员根据PQM和标准表的示值之差，手动调整PQM的零点、增益和相角，使PQM和标准表的示值之差小于允许值。PQM有数百个电力参数，人工校准的效率很低，1个熟练的调校人员1个小时大约只能校准1台PQM，并且校准效果与调校人员的经验和状态密切相关。
发明内容
本发明目的在于针对现有人工校准存在的耗时长、不精准的缺陷提出一种方便、快捷、精准的自校准电能质量监测装置。
本发明包括标准源、将标准源的较高的输入电压us和较大的输入电流is转化为较低电压信号uu和较低电流信号ui的信号输入模块、将较低电压信号uu和较低电流信号ui转化为数字量电压信号                                                
Figure 899136DEST_PATH_IMAGE001
和数字量电流信号
Figure 816276DEST_PATH_IMAGE002
的ADC转换模块，所述ADC转换模块通过信号输入模块连接在所述标准源的输出端，其特征在于：在所述ADC转换模块的输出端连接有数字化测量单元，在所述数字化测量单元的输出端连接有智能化自校准单元；所述数字化测量单元包括一个零点偏移计算器、一个零点校准器和一个电力参数计算器，所述电力参数计算器通过零点校准器与零点偏移计算器连接；所述零点偏移计算器通过求取标准源信号的电压和电流平均值分别得到电压偏移量Zu和电流偏移量Zi；零点校准器依据电压偏移量Zu和电流偏移量Zi完成采样序列的零点电压校准值
Figure 596013DEST_PATH_IMAGE003
和零点电流校准值
Figure 679638DEST_PATH_IMAGE004
；电力参数计算器依据采样序列零点电压校准值和零点电流校准值计算各项电力参数；所述智能化自校准单元包括一个增益计算器、一个有效值校准器、一个附加相角计算器和一个相角校准器；所述增益计算器连接在电力参数计算器的输出端和标准源的输出端，所述有效值校准器连接在所述增益计算器的输出端；所述附加相角计算器连接在电力参数计算器的输出端和标准源的输出端，所述相角校准器连接在所述附加相角计算器的输出端；所述增益计算器具有先从电力参数计算器读取初始电压增益
Figure 521189DEST_PATH_IMAGE005
、初始电流增益
Figure 720089DEST_PATH_IMAGE006
和初始电压有效值、初始电流有效值，再从标准源读出标准源实际输出的电压标准有效值Un、电流标准有效值In，然后计算出电压增益值Ku和电流增益值Ki，最后将电压增益值Ku和电流增益值Ki发送到有效值校准器的功能装备；所述有效值校准器具有先读取增益计算器发送的电压增益值Ku和电流增益值Ki，再计算出电压有效值Us和电流有效值Is，最后将电压有效值Us和电流有效值Is输出的功能装备；所述附加相角计算器具有先从电力参数计算器读取初始相角
Figure 261295DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 998307DEST_PATH_IMAGE010
，再从标准源读取标准源实际输出的标准相角
Figure 521692DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 642882DEST_PATH_IMAGE012
，然后计算出电压附加相移
Figure 884507DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移
Figure 97314DEST_PATH_IMAGE014
，最后把电压附加相移
Figure 740785DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移
Figure 262902DEST_PATH_IMAGE014
发送到相角计算器的功能装备；所述相角计算器具有先读取附加相角计算器发送的电压附加相移
Figure 991823DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移
Figure 8321DEST_PATH_IMAGE014
，再计算出电压相角
Figure 506298DEST_PATH_IMAGE015
和电流相角
Figure 277945DEST_PATH_IMAGE016
，最后将电压相角
Figure 916999DEST_PATH_IMAGE015
和电流相角
Figure 799505DEST_PATH_IMAGE016
输出的功能装备。
本发明与其它文献提到的“自校准”或“自动校准”有着本质的区别，这些文献中的“自校准”或“自动校准”有的是指“软调”，有的是指“半自动校准”。本发明是指全自动校准，即除了两项必不可少的人工操作——连接标准源到PQM的信号线、按一下“自校准”键，其它全部由本发明装置自身自动完成。校准一台ACPQM的数百个电力参数，一个不太熟练的调校人员只须1分钟就能出色地校准完毕。因此，本发明最大特点是：精度校准全部由装置自身自动完成——几乎无须人工介入。
当然，ACPQM的自校准技术可直接用于几乎所有数字式电力参数测量仪——包括：电压表、电流表、功率表、功率因素表、电能表、电力参数综合监测仪、电能质量监测装置、谐波仪、闪变仪等。
附图说明
图1为本发明的基本结构原理图。
图2为本发明的数字化测量单元和智能化自校准单元的基本结构原理图。
图3为本发明的自校准流程图。
具体实施方式
本发明校准精度的唯一工具是数字化标准源——推荐采用Fluke6100A标准源，Fluke6100A标准源不仅精度极高，而且可以用通信方式（IEEE-488.2口）对它进行程序控制。下文以Fluke6100A标准源（简称Fluke6100A）为工具说明ACPQM的工作原理。
一台Fluke6100A只是一台单相标准源（输出一相电压和一相电流），如果配上Fluke6101A辅助标准源就可以构成多相标准源，比如用1台Fluke6100A和2台Fluke6101A可以构成三相标准源。
Fluke6100A精度很高——其实际输出值与设定值的误差小到：频率≤50ppm、电压有效值≤200ppm、电压有效值≤300ppm、功率≤400ppm、相角≤0.0030、．．．．．．。
可以说，正是Fluke6100A这种数字化、高精度、可程序控制的标准源的出现，才使得PQM的‘自校准’成为现实。
一、PQM为什么需要校准：
自校准电能质量监测装置（ACPQM）的基本结构如图1， 图1中显示的是试验室校准PQM的连接方式，正常使用时PQM接入电网。
PQM大多是三相的——图1中的变量用下标1、2、3区分三相，由于三相结构对称，下文介绍原理时以任一相为例——变量不再出现下标1、2、3。
如果去除自校准功能，ACPQM就是一台常规的PQM，PQM内部的PT（CT）和信号调理环节构成电压（电流）信号输入环节，信号输入环节将较高的输入电压us和较大的输入电流is转化为较低电压信号uu和较低电流信号ui，ADC环节分别将较低电压信号uu和较低电流信号ui转化为数字量——采样序列
Figure 89672DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 32220DEST_PATH_IMAGE017
，数字化测量单元依据采样序列计算出各项电力参数。
必须留意的是：数字化测量单元直接处理的是加到ADC的中间信号uu、ui，并不是PQM的输入信号us、is，这中间经过了模拟信号输入环节——其参数的分散性是PQM需要逐台校准的主要原因。
首先，由于信号输入环节“正负”两个方向的参数不完全对称，导致
Figure 470155DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 77722DEST_PATH_IMAGE002
的零点发生偏移，所以，数字化测量单元计算电力参数前要去除采样序列的零点偏移：
其中，Zu和Zi分别是
Figure 601425DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 526655DEST_PATH_IMAGE002
的零点偏移量。每台PQM的零点偏移量是不同的——零点校准就是寻求准确的个性化的Zu和Zi。
不管PQM是接在标准源上还是接在电网上，数字化测量单元计算出uu和ui的有效值Uu和Ui后，要得到us和is的有效值Us和Is必需扩大一个倍数（增益）：
Figure 750963DEST_PATH_IMAGE019
其中，Ku和Ki分别是电压增益和电流增益。每台PQM的增益是不同的——增益校准就是寻求准确的个性化的Ku和Ki。
图1中的信号输入环节不仅改变输入信号的幅值，还产生附加相移，所以数字化测量单元计算出和
Figure 782297DEST_PATH_IMAGE021
的相角
Figure 194824DEST_PATH_IMAGE022
和后，要得到us和is的相角
Figure 342088DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 718712DEST_PATH_IMAGE016
必需去除附加相移：
Figure 618535DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 184645DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 423997DEST_PATH_IMAGE014
分别是电压和电流输入环节的附加相移。每台PQM的附加相移是不同的——相移校准就是寻求准确的个性化的
Figure 784571DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 860105DEST_PATH_IMAGE014
。
零点偏移（电压偏移量Zu和电流偏移量Zi）、增益（Ku和Ki）、附加相移（和
Figure 120502DEST_PATH_IMAGE014
）——统称为“校准常数”，它们都存储在非易失性存储器中。
过去，PQM的校准基本上都是人工的，人工校准的方法是：调校人员根据PQM和标准表的示值之差，手动调整PQM的零点、增益和相角，使PQM和标准表的示值之差小于允许值。一台PQM有数百个电力参数，工作量之大、效率之低可想而知。
二、本发明的基本结构与工作原理：
如图1、2所示，本发明设有标准源、将标准源的较高的输入电压us和较大的输入电流is转化为较低电压信号uu和较低电流信号ui的信号输入模块、将较低电压信号uu和较低电流信号ui转化为数字量电压信号
Figure 855240DEST_PATH_IMAGE001
和数字量电流信号
Figure 464076DEST_PATH_IMAGE002
的ADC转换模块， ADC转换模块通过信号输入模块连接在标准源的输出端。本发明与常规PQM的不同之处在于：还设有一个特殊的数字化测量单元、一个特殊的智能化自校准单元、一个自校准键和一个与标准源通讯的接口（如IEEE-488.2口）。
本发明进入自校准流程后，采样序列和
Figure 835200DEST_PATH_IMAGE002
同时送到零点偏移计算器，计算零点偏移量Zu和Zi，Zu和Zi送到零点校准器进行零点校准得到去除了零点偏移的采样序列
Figure 803156DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 836972DEST_PATH_IMAGE004
，然后
Figure 548576DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 413763DEST_PATH_IMAGE004
送到电力参数计算器计算各项电力参数。
本发明进入自校准流程后，智能化自校准单元先从数字化测量单元读出初始增益、和初始有效值
Figure 3074DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 988348DEST_PATH_IMAGE008
，再从标准源读出标准源实际输出的标准有效值Un、In，因为标准源的电压电流有效值Un、In是准确的，所以用Un、In、、
Figure 555781DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 609188DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 386651DEST_PATH_IMAGE006
就可以精确计算出电压增益Ku和电流增益Ki。然后Ku和Ki送到有效值校准器，再计算出精确的电压有效值Us和电流有效值Is。
本发明进入自校准流程后，智能化自校准单元先从数字化测量单元读出初始相角
Figure 867311DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 159752DEST_PATH_IMAGE010
，再从标准源读出标准源实际输出的标准相角
Figure 705265DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 399552DEST_PATH_IMAGE012
，因为标准源的电压相角和电流相角是准确的，所以用
Figure 988796DEST_PATH_IMAGE011
、、
Figure 429322DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 165065DEST_PATH_IMAGE010
就可以精确计算出电压附加相移
Figure 253107DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移。然后把
Figure 656723DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 60023DEST_PATH_IMAGE014
送到相角校准器，再计算出精确的电压相角
Figure 4452DEST_PATH_IMAGE015
和电流相角。
把精确的零点偏移、增益、相角送到电力参数计算器就可以精确计算出所有电力参数。
1 、零点自校准
零点校准的原理是：数字化测量单元将采样序列
Figure 495793DEST_PATH_IMAGE001
和送到零点偏移计算器，因为标准源的电压电流信号都是标准正弦波，所以用公式
Figure 386706DEST_PATH_IMAGE025
就可计算出电压偏移量Zu和电流偏移量Zi，其中N是若干个整周波的同步采样点数。然后，Zu和Zi
送到“零点校准器”进行零点校准：
Figure 549703DEST_PATH_IMAGE026
得到去除了零点偏移的采样序列
Figure 90405DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 733876DEST_PATH_IMAGE004
。然后，
Figure 6726DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 735647DEST_PATH_IMAGE004
送到电力参数计算器进行计算各项电力参数。
2、增益自校准：
增益校准前ACPQM设定了初始电压增益和初始电流增益，“数字化测量单元”用这个初始电压增益和初始电流增益计算出初始电压有效值
Figure 506923DEST_PATH_IMAGE007
和初始电流有效值
Figure 660823DEST_PATH_IMAGE008
。ACPQM进入“自校准”流程后，“智能化自校准单元”先从“数字化测量单元”读出
Figure 543329DEST_PATH_IMAGE005
、、
Figure 25312DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 463246DEST_PATH_IMAGE008
，再从标准源读出标准源实际输出电压的标准有效值Un和实际输出电流的标准有效值In。因为标准源的电压有效值和电流有效值是准确的，所以用公式：
Figure 821546DEST_PATH_IMAGE027
就可计算出精确的电压增益Ku和电流增益Ki。然后，Ku和Ki送到“有效值校准器”就可计算出精确的电压有效值和电流有效值：
Figure 294116DEST_PATH_IMAGE028
3、相角自校准：
相角校准前ACPQM设定初始电压附加相移和初始电流附加相移均为零，数字化测量单元用零附加相移计算出电压初始相角
Figure 833331DEST_PATH_IMAGE009
和电流初始相角。ACPQM进入“自校准”流程后，智能化自校准单元先从数字化测量单元读出
Figure 982870DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 247629DEST_PATH_IMAGE010
，再从标准源读出标准源实际输出电压的标准相角
Figure 531980DEST_PATH_IMAGE011
和输出电流的标准相角
Figure 131458DEST_PATH_IMAGE012
，因为标准源的电压相角和电流相角是准确的，所以用公式
Figure 893877DEST_PATH_IMAGE029
就可计算出精确的电压附加相移
Figure 75460DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移
Figure 468395DEST_PATH_IMAGE014
。然后，把
Figure 368218DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 622744DEST_PATH_IMAGE014
送到相角校准器就可计算出精确的电压相角
Figure 658833DEST_PATH_IMAGE015
和电流相角
Figure 284987DEST_PATH_IMAGE016
。
4、其它参数的自校准：
电压电流的零点偏移、增益、附加相移校准后，其它参数也随之校准，因为其它参数是从电压电流派生出来的，比如，功率增益
Figure 609789DEST_PATH_IMAGE030
。
电压不平衡度、电压谐波、短时闪变、长时闪变等都是电压的属性，所以，电压的零点偏移、增益、相角校准后，他们就随之校准，前提是它们自身的算法是精准的。
电流不平衡度、电流谐波等都是电流的属性，所以，电流的零点偏移、增益、相角校准后，他们就随之校准，同样，前提是它们自身的算法是精准的。
5、自校准流程的说明：
本发明的精度自校准是自动完成的。
未按自校准键时本发明处于正常测量状态，在正常测量状态下，本发明完成正常测量工作——这时与常规的PQM没有区别。
按下自校准键后就进入自校准状态，在自校准状态下所有正常测量工作依旧进行，同时启动自校准流程，自校准流程参见图3。
这里假设在整个测量范围内零点偏移、增益和附加相移可以用一组校准常数来表征——即校准常数是线性的，如果校准常数是非线性就要用“分区段自校准流程”。分区段自校准就是在整个测量范围内按幅值和相角的大小将ACPQM输入信号的幅值和相角分成若干个区段，以电压为例，幅值可分为：
Figure 714011DEST_PATH_IMAGE031
相角可分为：
Figure 870186DEST_PATH_IMAGE032
这样就有L×J个区段，每个区段对应一组校准常数——零点偏移
Figure 854191DEST_PATH_IMAGE033
、增益
Figure 463027DEST_PATH_IMAGE034
、附加相移
Figure 574203DEST_PATH_IMAGE035
（
Figure 584884DEST_PATH_IMAGE036
），分区段自校准流程中ACPQM逐个求出这L×J组校准常数，计算电力参数时，输入信号的幅值和相角落在那个区段就采用个哪个区段的校准常数。
本发明PT、CT最好采用精度0.1级或0.05级的微型互感器，ADC最好采用16位或24位模数转换器，显示界面可以是面板上的LCD——也可以是另一台电脑的显示屏（ACPQM经RS232口与电脑通信）。数字化测量单元可以用DSP实现，智能化自校准单元可以用ARM实现。

Claims (1)

1.自校准电能质量监测装置，包括标准源、将标准源的较高的输入电压us和较大的输入电流is转化为较低电压信号uu和较低电流信号ui的信号输入模块、将较低电压信号uu和较低电流信号ui转化为数字量电压信号                                                
Figure 987715DEST_PATH_IMAGE001
和数字量电流信号
Figure 83847DEST_PATH_IMAGE002
的ADC转换模块，所述ADC转换模块通过信号输入模块连接在所述标准源的输出端，其特征在于：在所述ADC转换模块的输出端连接有数字化测量单元，在所述数字化测量单元的输出端连接有智能化自校准单元； 
所述数字化测量单元包括一个零点偏移计算器、一个零点校准器和一个电力参数计算器，所述电力参数计算器通过零点校准器与零点偏移计算器连接；所述零点偏移计算器通过求取标准源信号的电压和电流平均值分别得到电压偏移量Zu和电流偏移量Zi；零点校准器依据电压偏移量Zu和电流偏移量Zi完成采样序列的零点电压校准值
Figure 467555DEST_PATH_IMAGE003
和零点电流校准值；电力参数计算器依据采样序列零点电压校准值
Figure 428525DEST_PATH_IMAGE003
和零点电流校准值
Figure 11953DEST_PATH_IMAGE004
计算各项电力参数；
所述智能化自校准单元包括一个增益计算器、一个有效值校准器、一个附加相角计算器和一个相角校准器；所述增益计算器连接在电力参数计算器的输出端和标准源的输出端，所述有效值校准器连接在所述增益计算器的输出端；所述附加相角计算器连接在电力参数计算器的输出端和标准源的输出端，所述相角校准器连接在所述附加相角计算器的输出端；所述增益计算器具有先从电力参数计算器读取初始电压增益
Figure 199352DEST_PATH_IMAGE005
、初始电流增益
Figure 184625DEST_PATH_IMAGE006
和初始电压有效值
Figure 681335DEST_PATH_IMAGE007
、初始电流有效值
Figure 752059DEST_PATH_IMAGE008
，再从标准源读出标准源实际输出的电压标准有效值Un、电流标准有效值In，然后计算出电压增益值Ku和电流增益值Ki，最后将电压增益值Ku和电流增益值Ki发送到有效值校准器的功能装备；所述有效值校准器具有先读取增益计算器发送的电压增益值Ku和电流增益值Ki，再计算出电压有效值Us和电流有效值Is，最后将电压有效值Us和电流有效值Is输出的功能装备；所述附加相角计算器具有先从电力参数计算器读取初始相角
Figure 743149DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 582929DEST_PATH_IMAGE010
，再从标准源读取标准源实际输出的标准相角
Figure 752004DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 44445DEST_PATH_IMAGE012
，然后计算出电压附加相移
Figure 839226DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移，最后把电压附加相移
Figure 185073DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移
Figure 417341DEST_PATH_IMAGE014
发送到相角计算器的功能装备；所述相角计算器具有先读取附加相角计算器发送的电压附加相移
Figure 812550DEST_PATH_IMAGE013
和电流附加相移
Figure 299026DEST_PATH_IMAGE014
，再计算出电压相角
Figure 387068DEST_PATH_IMAGE015
和电流相角
Figure 339587DEST_PATH_IMAGE016
，最后将电压相角
Figure 272908DEST_PATH_IMAGE015
和电流相角
Figure 879470DEST_PATH_IMAGE016
输出的功能装备。
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