CN104237632A - 一种实时双向电能独立计量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时双向电能独立计量系统，包括电压测量模块、电流测量模块、电能计量芯片、双向电能计数器电路、计量处理器以及通信模块，电能计量芯片在输出功率脉冲的同时输出功率方向指示，双向电能计数器电路能够识别功率方向指示并对正反向功率脉冲分别进行计数，计量处理器实时独立地获取并累积正反向电能，并将定时直接读取电能计量芯片输出的反向功率与接收到的主站参考值比较，发现异常情况时会及时报警。本发明能够实时独立计量用户与电网之间的正向、反向电能及正反向总电能的累积，同时可以通过对反向功率的监测，发现异常，及时提醒相关人员进行疑似骗取国家新能源发电补贴事件的监察。

Description

一种实时双向电能独立计量系统

技术领域

本发明属于电能计量技术领域，具体讲涉及一种实时双向电能独立计量系统。 

背景技术

可再生能源分布式发电技术是近年来智能电网技术领域中最具有应用前景的技术创新成果之一，被认为是解决目前能源危机，环境困局的有效途径。采用可再生能源分布式发电与传统的电网供电相结合的供电模式得到了普遍的认可和推广。需要指出的是，在可再生能源分布式发电与电网供电相结合的供电模式中，电能在电网与用户之间的流动并不是单向的。用户既可能通过电网向其补充供电，又可能给电网反馈电能，反馈的电能还可以得到国家的新能源发电补贴。这就需要一种能够实现双向电能实时独立计量的计量系统及方法。 

传统的电能计量系统仅仅能够实现电能从电网流向用户的单方向计量，而目前已公开的智能电能计量技术方案中，计量芯片通常只采用脉冲输出，电能累积只有一个计数器，累积的电能可以是正向、反向或者正反向的代数和，无法独立地计量正向、反向电能。如国内已公开的发明专利 CN 102200544A提出了一种可实现双向计量的智能电表的总电量累加方法，能够实现正反向总电量的累加和各种费率下正反向总电量的累加，但无法实现正反向电能的独立计量，在售用电资费结算时，也就无法对用户反馈上网的电量进行结算和补贴。不能满足可再生能源分布式发电技术的发展与实用推广的需要。再如国内已公开的发明专利CN 103364631A 提出了一种高压用户光伏发电电能计量系统及其方法，其提到了所使用的电能计量表为双向电能计量表，但是并没有给出双向电能计量表的发明方案以及具体实施方式，这些都显然不能满足可再生能源分布式发电技术的进一步发展与实用推广的需要。 

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种位于配置有分布式新能源发电设施的用户与电网之间，能够实时独立计量用户与电网之间的正向、反向电能及正反向总电能的累积，同时可以通过对反向功率的监测，发现异常，及时提醒相关人员进行疑似骗取国家新能源发电补贴事件的监察的实时双向电能独立计量的系统。 

本发明的目的是采用如下技术方案实现的： 

一种实时双向电能独立计量系统，其特征在于，包括电压测量模块、电流测量模块、电能计量芯片、双向电能计数器电路、电能计量处理器和通信模块；

所述电压测量模块通过电压互感器将电网电压转化为低电压信号，再经过抗混叠低通滤波器，提供给电能计量芯片的电压通道，用以进行功率计量；

所述电流测量模块通过电流互感器及串联采样电阻将电网与用户之间的电流转化为低电压信号，再经过抗混叠低通滤波器，提供给电能计量芯片的电流通道，用以进行功率计量；

所述电能计量芯片是双向电能功率计量芯片，在输出电能脉冲的同时，输出电能功率方向标志位；

所述双向电能计数器电路由两个独立的正向及反向电能计数器组成，两个独立的正向及反向计数器均通过逻辑电路由计量芯片输出的功率方向标志位使能；

所述电能计量处理器，读取电能计数器的进位脉冲输出，完成正、反向电能的换算及累积，在需要精确实时计量正、反向电量时，直接读取双向电能计数器的当前计数数值，同时对计数器清零，经电能换算后，分别与前一次电能累积值相加，得到精确的正反向电能，同时计算得到正反向电能的代数和以及绝对值和；

所述通信模块用于将电能计量处理器采集处理的电能电量信息传送至主站以及接收主站下达的指令和反向功率参考值。

进一步的，所述低通滤波器的截止频率小于或等于电能计量芯片电流通道AD采样频率的一半。 

进一步的，所述电能计量芯片中，输出0-1高低电平功率方向标志位，其中之一代表电网向用户供电的正向电能，另外一个则用于代表用户向电网反馈的反向电能，同时实时计量并输出所测正向或反向功率的瞬时值。 

进一步的，当电能计量芯片输出的功率方向标志位表示正向功率时，正向电能计数器工作，计数电能计量芯片输出的电能脉冲；当电能计量芯片输出的功率方向标志位表示反向功率时，反向电能计数器工作，计数电能计量芯片输出的电能脉冲。 

进一步的，每隔一段时间，电能计量处理器将读取一次电能计量芯片输出的功率方向标志位，当电能计量芯片正输出反向的功率脉冲时，电能计量处理器将读取电能计量芯片所计量的反向功率瞬时值，并将该值与接收到的主站下达的反向功率参考值比较，若其大于参考值，则通过通信模块向主站发出报警提示。 

进一步的，所述电能计量处理器读取电能计数器的进位脉冲的时间间隔为5-60秒。 

进一步的，所述通信模块接收主站下发的反向功率参考值的时间间隔为5-30分钟。 

进一步的，所述通信模块的传输模块及通道采用光纤、GPRS、电力载波、RS 485。 

与现有技术相比，本发明的有益效果为： 

本发明可以实现电网与用户之间实时双向电能的独立计量，在含有新能源分布式发电的智能电网应用中，在计量电网供给用户的电能的同时，计量用户向电网反馈的电能，解决了现有技术只能计量电网到用户的正向电能或者反向电能或者正向反向的电能总量代数和的问题；

在含有新能源分布式发电的智能电网中，本发明为用单一设备同时完成用户用电资费结算，国家新能源发电上网补贴结算，提供了可靠，便捷，并不明显增加现有电能计量设备投资成本的技术解决方案；

本发明在完成实时双向电能独立计量的同时，可以有效减少或避免利用不正当手段骗取国家新能源发电补贴的事件发生。

 附图说明

图1是本发明应用结构图；

图2是本发明内部结构原理图；

图3是本发明电能计量计数器电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述： 

如图1所示，本发明提供一种实时双向电能独立计量系统，连接于电网和用户之间，用户侧不仅配置有常规的用电负荷，还配置有分布式新能源发电装置；

如图2所示，本发明具体包括电压测量模块1、电流测量模块2、电能计量芯片3、双向电能计数器电路4、计量处理器5、通信模块6。其中，

电压测量模块1通过其内的电压互感器将电网与用户之间连接处的电压转化为低电压信号，电压互感器二次侧输出电压峰峰值应满足计量芯片电压通道的输入限制及测量精度需要，该信号经过抗混叠低通滤波器，提供给电能计量芯片的电压通道，优选的，低通滤波器的截止频率应小于或等于电能计量芯片电压通道AD采样频率的一半；

电流测量模块2通过电流互感器及串联采样电阻将电网与用户之间的电流转化为低电压信号，该电压信号的峰峰值应满足计量芯片电流通道的输入限制及测量精度需要，经过抗混叠低通滤波器，提供给电能计量芯片的电流通道，优选的，低通滤波器的截止频率应小于或等于电能计量芯片电流通道AD采样频率的一半；

采用能够满足以下要求的电能计量芯片3：可以根据电压、电流测量模块测量的电压电流信息实时独立计量电网与用户之间的正向及反向功率；采用电量功率脉冲的输出形式，并同时给出所输出的电量功率脉冲的方向标志位，标志位1高电平表示电网向用户供电的正向功率，标志位0低电平表示用户向电网反馈电能的反向功率；所计量的正向或反向功率的瞬时数值能够被实时读取。目前市场上具有较多能够同时以上要求的计量芯片，本例采用CIRRUS LOGIC 公司的CS5463型单相双向电能计量芯片；

根据电能计量芯片3输出的脉冲常数合理选择一个时间常数T，优选的，T位于10ms至10s之间，并且该时间常数T，应小于计量芯片输出最大功率脉冲频率时间，双向电能计数器计满所需时间。每隔时间T，计量处理器将分别读取一次正向及反向电能计数器的当前计数数值并对计数器进行清零，计量处理器根据读取的计数器计数值，依据计量芯片的脉冲常数换算出双向电能计数器当前所计数的电能量，分别与已存储的正向及反向电能量进行累加后更新存储。在需要精确结算正、反向电量时，将直接读取双向电能计数器的当前计数数值，同时对计数器进行清零，经电能换算后，分别累加到已存储的正、反向电能中，得到精确的实时正反向电能。在电能结算时，计量处理器还将根据已存储累积的正、反向电能值计算正反向代数和电能，以及正反向绝对值和电能等并分别进行存储。

获得了独立的正反向电能以后计量处理器模块可以计算一些混合的电能数据，如总的正向电能即为用户总的从电网购电电能，总的反向电能即为用户分布式电源发电向电网的售电电能，而总正向电能减去总的反向电能就获得了用户和电力公司需要结算的电能。 

双向电能计数器电路4包含有两个独立的具有使能功能（均为1使能）的计数器——正向电能计数器及反向电能计数器。电能计量芯片输出的功率方向标志位直接接到正向电能计数器的使能端，通过非门电路接到反向电能计数器的使能端。当标志位为1时，正向电能计数器对计量芯片输出的功率脉冲进行计数，记为正向电能；当标志位为0时，反向电能计数器对计量芯片输出的功率脉冲进行计数，记为反向电能。双向电能计数器均采用“进位输出”的方式，计数器的容量一般不大，可以结合计量芯片输出的功率脉冲常数，按照所需的电能计量精度合理选择一个计数器计数限值，每当计数器的计数器值达到这个限值，意味着正向或反向的电能在计数器中的累积已达到计量精度要求的一个最小计量单位，此时计数器将通过比较器输出高电平，该电平对计数器进行清零，从而形成一个脉冲输出，该脉冲输出以中断的形式为计量处理器所读取。 

本实施例以FPGA具体实现双向计量处理器5，如附图3所示，两个独立的正、反向电能计数器写于FPGA中，均具有使能，清零功能，计量芯片给出功率脉冲直接连到FPGA的一个输入管脚，在内部与两个计数器的计数输入端相连。计量芯片给出的功率方向标志位连到PFGA的另一个输入管脚，在内部直接与正向电能计数器的使能端相连，同时通过逻辑“非”电路与反向电能计数器的使能端相连。正、反向电能计数器的计数输出均直接连至FPGA的输出管脚，同时各经过一个比较器电路连至各自的清零端以及FPGA的输出端作为各自的电能计量脉冲输出； 

计量处理器5以中断的形式接收正、反向计数器的输出脉冲，分别进行正向及反向电能的累积，并将累积后的正、反向电能量分别存放。在需要精确结算正、反向电量时，将直接读取双向电能计数器的当前计数数值，同时对计数器进行清零，经电能换算后，分别累加到已存储的正、反向电能中，得到精确的实时正反向电能。在电能结算时，计量处理器还将根据已存储累积的正、反向电能值计算正反向代数和电能，以及正反向绝对值和电能等并分别进行存储；

每隔60秒，计量处理器5将读取一次计量芯片输出的功率方向标志位，当所读标志位为0，即此时计量芯片正输出反向的功率脉冲时，计量处理器将读取计量芯片所计量的反向功率瞬时值，并将该值与接收到的主站下达的反向功率报警参考值比较，若其大于参考值，则通过通信模块向主站发出报警提示；

通信模块6用于将计量处理器采集处理的电能电量信息传送至主站以及接收主站下达的指令和反向功率参考值。通信模块6每隔5-30分钟接受一次主站下达的用户反向功率报警参考值，该报警参考值将由以下方法算出：根据天气情况，环境温度情况，用户的分布式新能源装机容量情况计算出该时段的用户反向功率参考值P1 ，通过以往历史采集的上传数据，分析用户的最大反向功率P2，在P1和P2之中取其较大者，再加上参考裕度，得到该时段用户的反向功率报警参考值 ，即 。

计量处理器将读取的用户反向功率值与反向功率极限参考值进行比较，出现用户反向功率值大于反向功率极限参考值时，通过通信模块发出报警，提醒相关人员及时对疑似骗取国家新能源发电补贴行为进行监察。 

通信模块可以采用光纤/GPRS/电力载波/RS 485等传输模块及通道实现本系统与主站之间的通信。 

最后应当说明的是：以上具体实施方式仅用于以上实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照上述实施方式对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种实时双向电能独立计量系统，其特征在于，包括电压测量模块、电流测量模块、电能计量芯片、双向电能计数器电路、计量处理器和通信模块；

所述电压测量模块通过电压互感器将电网电压转化为低电压信号，再经过抗混叠低通滤波器，提供给电能计量芯片的电压通道，用以进行功率计量；

所述电流测量模块通过电流互感器及串联采样电阻将电网与用户之间的电流转化为低电压信号，再经过抗混叠低通滤波器，提供给电能计量芯片的电流通道，用以进行功率计量；

所述电能计量芯片是双向电能功率计量芯片，在输出电能脉冲的同时，输出电能功率方向标志位；

所述双向电能计数器电路由两个独立的正向及反向电能计数器组成，两个独立的正向及反向计数器均通过逻辑电路由计量芯片输出的功率方向标志位使能；

所述电能计量处理器，读取电能计数器的进位脉冲输出，完成正、反向电能的换算及累积，在需要精确实时计量正、反向电量时，直接读取双向电能计数器的当前计数数值，同时对计数器清零，经电能换算后，分别与前一次电能累积值相加，得到精确的正反向电能，同时计算得到正反向电能的代数和以及绝对值和；

所述通信模块用于将计量处理器采集处理的电能电量信息传送至主站以及接收主站下达的指令和反向功率参考值。

2.根据权利要求1所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率小于或等于电能计量芯片电流通道AD采样频率的一半。

3.根据权利要求1所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，所述电能计量芯片中，输出0-1高低电平功率方向标志位，其中之一代表电网向用户供电的正向电能，另外一个则用于代表用户向电网反馈的反向电能，同时实时计量并输出所测正向或反向功率的瞬时值。

4.根据权利要求1或3所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，当电能计量芯片输出的功率方向标志位表示正向功率时，正向电能计数器工作，计数电能计量芯片输出的电能脉冲；当电能计量芯片输出的功率方向标志位表示反向功率时，反向电能计数器工作，计数电能计量芯片输出的电能脉冲。

5.根据权利要求1所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，每隔一段时间，电能计量处理器将读取一次电能计量芯片输出的功率方向标志位，当电能计量芯片正输出反向的功率脉冲时，电能计量处理器将读取电能计量芯片所计量的反向功率瞬时值，并将该值与接收到的主站下达的反向功率参考值比较，若其大于参考值，则通过通信模块向主站发出报警提示。

6.根据权利要求5所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，所述电能计量处理器读取电能计数器的进位脉冲的时间间隔为5-60秒。

7.根据权利要求1所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，所述通信模块接收主站下发的反向功率参考值的时间间隔为5-30分钟。

8.根据权利要求1或7所述的实时双向电能独立计量系统，其特征在于，所述通信模块的传输模块及通道采用光纤、GPRS、电力载波、RS 485。