CN106483397B - 一种高精度高带宽的电能质量检测装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度高带宽的电能质量检测装置和测量方法，所述装置包括：模拟测试模块，用于对储能变流设备的测量转换信号进行精度标定以及通过切换开关对此设备功能的模拟测试；前端传感模块，用于对被测设备交直流电流和交直流电压的快速采集；测量模块，用于对被测设备进行电流和电压的测量；自动量程识别转换模块、电能质量分析存储模块、后台分析模块和远程通信模块。本发明提供的方法与装置具有可兼顾计量检测和定性分析中精度与带宽的需求，具备专业技术强、携带轻便的特点，实现了单一转换装置可对储能变流设备全面检测的目的。

Description

一种高精度高带宽的电能质量检测装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置和方法，具体涉及一种高精度高带宽的电能质量检测装置和测量方法。

背景技术

现有的电力测量(计量)装置和电能质量分析设备，因测量目的不同其侧重范围有很大差别。例如，现有计量装置都是以常规互感器为基础的计量方式。根据不同应用场合，采取的测量准确度不同。例如，工业设备、民用电表一般为2.0级；工厂园区、厂矿的进线计量为1.0-1.5；关口贸易电量计量则为0.2-0.5级。并非计量装置不能做到很准，而是出于成本、必要性的考虑及系统传感器存在不确定性等因素，所有这些都对测量精度产生很大影响。在一个以大电流为例的量测系统中，传感器至关重要；即使二次表计为0.1级，那么如果测量转换CT只有0.5级，同样不能满足系统的高精度测量需求。高电压等级计量用的互感器基于都是铁心制作的电磁性互感器，带宽有限，无法对高次谐波部分进行精确计量。

另外，在常规测量系统中，测量传感器(如工频电流互感器)一般无法在测量带宽、幅值精度、和相位差方面做到全面均衡；尤其当系统非线性负载比例较重，电流谐波较大时，受互感器的测量带宽限制，测量准确度大打折扣。

在电能质量分析方面，现有电能质量分析装置主要侧重测量带宽和谐波的分析能力，一般不考虑测量有效值的准确度。例如，电流测量和取样，一般采用开环式霍尔传感器，带宽可以达到50KHz以上，但是幅值的测量准确度一般在2％-5％左右。例如，在诸如一些电能质量分析、快速保护的测量系统中，一般采用具备暂态特性的电流互感器。此时关注的重点是暂态特性，即要求互感器有良好的带宽满足高次谐波的测量，而频率、电流电压的幅值精度不再是主要测量目标。

随着大功率电力电子装置的普及应用，还有一类测量需要既要关注幅值相位的精度(有效值测量)，也要关注电能质量的测量。以大功率储能逆变系统的测量为例，要通过高精度测量来评估充电时的“充电转换效率”，评估逆变并网的“逆变转换效率”；同时要关注充电过程的谐波污染，逆变发电过程中的电能质量。根据这一需求，需要有一种高精度、高带宽的连续不失真的测量转换装置，目前尚未有同时兼顾高精度和高带宽测量的检测方法和系统，以适用于大功率储能变流设备的性能检测与评估。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高精度高带宽的测量方法和电能质量检测装置,本发明具有可兼顾计量检测和定性分析中精度与带宽的需求，具备专业技术强、携带轻便的特点，实现了单一转换装置可对储能变流设备全面检测、评估的目的。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种高精度高带宽的电能质量检测装置，所述装置包括：

模拟测试模块，通过安全快接插口与前端传感模块连接，用于对储能变流设备的测量转换信号进行精度标定以及通过切换开关对此设备功能的模拟测试；

前端传感模块，通过安全快接插口与被测设备连接，用于对被测设备交直流电流和交直流电压的快速采集，将采集信息传到自动量程识别转换模块；

自动量程识别转换模块，用于识别接入不同量程的传感器，包括不同量程传感器混合接入识别，传感器接入的电流参考方向识别，生成被测二次信号，将生成的二次信号传到辅助显示模块、测量模块、辅助测试模块和电能质量分析存储模块；

测量模块，用于对被测设备进行电流和电压的测量；

电能质量分析存储模块，用于对所述被测二次信号进行谐波分析、数据存储和统计分析，将分析后的数据通过远程通信模块传到后台分析模块；

辅助显示模块，采用高清新800×480点5.6寸彩色屏，实现与内部信号处理板通信，用于显示被测二次信号的参数量；

辅助测试模块，用于把传感器及装置的部分监视信号处理后输出到后面端子；

后台分析模块，用于对接收到的数据按时间序列展开分析，根据数据再现波形；

远程通信模块，集成了RS232，LAN及RS485通信接口，用于将所述电能质量分析存储模块的被测二次信号和统计分析结果发送到所述后台分析模块。

优选的，所述前端传感模块包括直流电压传感器、精密交流电压转换模块、交流电流传感模块和直流电流传感模块；所述交流电流传感模块采用0-400A和0-800A的霍尔传感器；所述直流电流传感模块测量范围为±750A、±1500A和±3000A的霍尔传感器。

优选的，所述电能质量分析存储模块中包括：

谐波分析模块，采样频率为每周期500点，对50次谐波进行分析和评估；

数据存储模块，配置有存储卡，将测量的实时数据以CSV文件格式保存到存储卡中，用于存储被测二次信号的数据，便于后期的分析处理；

统计分析模块，用于实时接收、分析、计算来自装置的实时数据，定量定性解析来自所述数据存储模块的保存数据；形成各谐波含量比例百分比，谐波总量，基频频率，电流、电压、功率有效值。

优选的，一种高精度高带宽的测量方法，所述方法包括如下步骤：

(1)对储能变流设备的测量转换信号进行精度标定，并通过切换开关对此设备功能进行模拟测试；

(2)与被测设备连接，采集被测设备的交直流电流和电压；

(3)识别测试量程；

(4)输出辅助信号；

(5)显示测试的辅助信息。

优选的，所述步骤(1)中包括如下步骤：

步骤1-1、当加入标准信号源时，将切换开关置于A侧，测试标准信号源加入到测量设备的安全快接插头，对所述测量设备的准确度进行对比校验；

步骤1-2、当现场测量时，将切换开关切换至B侧，同一AC信号送入所述测量设备的安全快接插头，观察辅助显示模块的数据差异性，可初步判断所述测量设备的工作状态。

优选的，所述步骤(2)中，所述交直流电流的采集采用高精度的闭环霍尔传感器为基础测量原件，在霍尔传感器的外环绕制不同匝数的补偿线圈，补偿霍尔磁敏原件因微小磁滞效应造成的分散零点误差。

优选的，所述步骤(2)中，所述交直流电压若为1000V，则采用独特的比例线性光耦方法，包括如下步骤：

步骤2-1、用低温漂的无感电阻把0-1000V电压分压为0-2.5V；

步骤2-2、用精密低失调的运放，做光反馈跟踪输入电压，采用比例线性光耦，除一次反馈光以外，在隔离的二次同样有分光照射，分光作用在光耦三极管上，其输出电流作用于取样电阻；

步骤2-3、把取样电阻输出的0-2.5V电压信号通过精密电压跟随缓冲，供后级处理用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明提供了一种高精度、高带宽测量装置，具有可兼顾计量检测和定性分析中精度与带宽的需求，具备专业技术强、携带轻便的特点；

2)本发明提出了独有的直流偏移零点补偿方法，最大程度减少了传感器零点偏移的分散性，通过在原来产品级霍尔传感器的外环绕制不同匝数的补偿线圈，有效补偿了霍尔磁敏原件因微小磁滞效应造成的分散零点误差，从而实现了高精度的捕获小信号变化的目的，具有非常强的实用性；

3)本发明实现了兼顾高精度、高带宽的测量目的，可用于储能变流设备等的全面检测、评估，优化了系统结构。

附图说明

图1是本发明提供的一种高精度高带宽的测量装置的结构图

图2是本发明提供的闭环霍尔的零点补偿原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明提供的一种高精度高带宽的电能质量检测装置，该装置包括以下几个部分：

前端传感模块、测量模块、电能质量分析存储模块、自动量程识别转换模块、辅助显示模块、远程通信模块、辅助测试模块、模拟测试模块、后台分析模块等。

前端传感模块包括交流电流传感模块、直流电流传感模块、精密交流电压转换模块和直流电压传感模块；交流电流传感模块采用0-400A和0-800A的霍尔传感器；直流电流传感模块测量范围为±750A、±1500A和±3000A的霍尔传感器，通过安全快接插口与被测设备连接，用于对被测设备交直流电流和交直流电压的快速采集，将采集信息传到自动量程识别转换模块。

所述测量模块的电流取自前端传感模块，电压通过电流型电压互感器隔离取样，计量采用专用电能计量芯片，在电流1000:1的动态范围内可实现0.2级的电压、电流测量和不大于0.5％的功率测量。

所述电能质量分析存储模块中包含谐波分析模块、数据存储模块、统计分析模块等。

所述谐波分析模块的电流仍取自传感模块，高达每周期500点的采用频率和丰富的分析软件能够保证对高达50次谐波的分析和评估。

所述数据存储模块，是一大容量存储卡。可把一段时间内高速采集的RAM数据存储到存储卡上，通过网口传输至后台，用于存储谐波分析与统计结果；

所述统计分析模块，是集中在后台的分析软件；它可以实时接收、分析、计算来自装置的实时数据，也可定量定性解析来自存储卡的保存数据；形成各谐波含量比例百分比，谐波总量(THD％)，基频频率，电流、电压、功率有效值等参数。

所述辅助测试模块的设计是把传感器及装置的部分监视信号通过适当处理后输出到后面端子，同时保证信号的完整性和实时性。主要用于现场用示波器、其他监视仪器对的信号观察和检测。

所述自动量程识别转换模块，具有接口智能检测功能，该模块是用于实现不同量程的传感器接入识别，包括不同量程传感器混合接入识别，各别传感器接入的电流参考方向识别。目的是自动配置变比，防止不同量程传感器混用。实现方法是将传感器的插头中特定三芯作为识别线，当传感器接入时，检测识别线的电平组合，分析当前状态是否匹配。

所述模拟测试模块，实际是对装置通过模拟测试和精密校准的辅助工具。在脱离传感器模式下使用。主要为了在非现场条件下装置的工作性能和测量辅助测量准确度进行验证。此模拟测试模块自带单相220V电源，能够产生传感器接口输入的模拟信号，其中交流电流、电压信号在一定范围稳定不变，目的是验证辅助显示及画面的切换功能。当需要更准确对装置进行对比精度测试或校准时，可将转换开关导向“外接”一侧，此时信号来自模块上外加的标准源插孔。对比信号源及显示数值，误差应在0.2％以内；若超差，可用校准模式进行校准。

所述辅助显示模块采用高清新800×480点5.6寸彩色屏。以此来实现与内部信号处理板通信，用于显示测量分析中全部的参数量。

所述远程通信模块集成了RS232，LAN及RS485通信接口。主要用于装置的参数设置、程序版本升级及与后台实时数据通信。

所述后台分析模块是统计分析软件的一部分，侧重对采集到的来自存储卡数据按时间序列展开分析，可根据数据再现波形，能够把波形局部进行放大、拉伸，如同高速示波器的拍照功能。通过分析模块，可形成各谐波含量比例百分比，谐波总量(THD％)，基频频率，电流、电压、功率有效值、三相平衡度、基波功率因数、谐波功率等数据。通过此分析能够对被测设备的电能质量进行综合分析和评估。

本发明提供的一种高精度高带宽的测量方法，具体步骤如下：

(1)对储能变流设备的测量转换信号进行精度标定，并通过切换开关对此设备功能进行模拟测试；

(2)与被测设备连接，采集被测设备的交直流电流和电压；

(3)识别测试量程；

(4)输出辅助信号；

(5)显示测试的辅助信息。

在步骤(1)中，所述精度标定的方法如下：

任何一个测量系统因前置测量通道中元件的固有的分散性，都会产生测量误差。但本标定方法却能够消除除温漂以外使用的因元件分散性产生的误差。方法是：在底层软件中，包含标准信号标定程序，通过硬件跳线和串口命令使之处于标定状态。将装置认定标准信号加入信号输入端，启动校准命令，那么一个标准的值便存入装置。当然，采用高质量的电子元件及合理的硬件布线也是不可缺少的必要条件。在这种条件下，只要系统的线性度较高，那么实际信号都以此为参考计算出真实值。

在步骤(1)中，所述模拟测试的方法如下：

如前面所述，模拟测试实际是对装置通过模拟测试和精密校准的辅助工具。在脱离传感器模式下，主要为了验证在非现场条件下装置的工作性能和测量辅助测量准确度。可通过切换开关选择来自本身此模拟信号还是来自标准信号源。

在步骤(2)中，所述连接方法如下：

其一，为保证测量准确度，需最大程度减少交流测量的角误差和幅值误差，采用高精度闭合传感器尤为重要。带来一个直接问题是如何将传感器接入测量回路。为方便电流量测量，传感器配置了已经穿心的大电流硅胶软电缆，电缆与传感器紧密耦合。电缆两端有大电流接线铜排。实际现场可将电流回路打开，串入此电缆即可。当然，如果原回路电缆(或母排)能够直接穿入传感器也是可以的，只要保证紧密耦合即可。

其二，对于三相交流电压的接入，直接用本装置配备的防触电快接端子即可，本装置测量端子侧可以带电插拔。在被测设备的电压侧，尽管带有绝缘鱼嘴接线夹子，但还是建议在无电压的情况下接引，并适当绑扎固定导线。高至1000V直流电压的接引也参考此项。

除了交流电压信号，其它所有接到本装置的信号都是低压信号(最高电压DC30V)，包括装置提供的辅助输出信号都是隔离的低压信号，因此这些信号都是安全的。

所述交直流电流的采集采用高精度的闭环霍尔传感器为基础测量原件，配置独有的直流偏移零点补偿技术实现高精度的信号变化，在霍尔传感器的外环绕制不同匝数的补偿线圈，补偿霍尔磁敏原件因微小磁滞效应造成的分散零点误差。

直流偏移零点补偿技术目的是最大程度减少传感器零点偏移的分散性。即在原来产品级霍尔传感器的外环绕制不同匝数的补偿线圈，以补偿霍尔磁敏原件因微小磁滞效应造成的分散零点误差。

所述补偿的计算方法如下：通过输出串2-5k电阻(正常工作回路电阻小于50欧)测定每只霍尔传感器固有的、分散的失调电流，按其变比计算折算到一次的安匝数。利用供电的±15V专用电源，通过反方向的补偿电流。图3所示是以LF205-S为例的补偿原理图，额定一次电流200A，二次额定100mA，零点失调电流±0.2mA；折算到一次为200mA，通过在原有成品传感器的穿心绕20圈，电流限制在10mA，可以补偿使失调电流小于±0.05mA；减小了小信号下的测量误差。

如图2所示，本发明专利将同一高带宽的电流量作用于串联的高精度的不同取样电阻(R01、R02、R03)上，根据不同侧重，独立进行功率测量取样、谐波方向取样以及辅助测量取样。

所述交直流电压若为1000V，则采用独特的比例线性光耦方法，包括如下步骤：

步骤2-1、用低温漂的无感电阻把0-1000V电压分压为0-2.5V；

步骤2-2、用精密低失调的运放，做光反馈跟踪输入电压，采用比例线性光耦，在隔离的二次同样有分光输出，其输出电压作用于取样电阻；

步骤2-3、把取样电阻输出的0-2.5V电压信号通过精密电压跟随缓冲，供后级处理用。

在步骤(2)中，所述交流电压、交流电流、直流电压、直流电流的采集与计算方法如下：

在本装置中，对于交流电压、交流电流、直流电压、直流电流的采集计算，其方法因不同需求差别较大。辅助测量部分。采用专用功率测量芯片，每个工频周期采集80点，有功率芯片直接计算出二进制的U、I、P、Q。对于谐波分析部分，采用高速瞬时采样，然后通过傅里叶瞬时积分等方法计算有效值、谐波分量及频率。

直流量计算相对简单，例如:

直流电压U＝1000*(F-F0)/(FN-F0)

直流电流I＝1500*(2F-FN-F0)/(FN-F0)；简化为1500*[2(F-F0)/(FN-F0)-1]

还原成4-20mA计算：I＝16F/(FN-F0)+(4FN-20F0)/(FN-F0)，简化为：I＝16F/(FN-F0)

上述公式中，F为实际测量值，F0为4mA对应值，FN为20mA对应值。

在步骤(3)中，所述自动识别的方法及其步骤如下所示：

为了使装置适应宽不同量程的电流传感器接入。能够自动检测传感器的量程对使用者来说最为方便。可避传感器混用、避免出现人为倍率错误。其方法是：在传感器接入的航空插头里，有两根引线专用于量程识别。即不同测量范围的传感器在插头侧内部接线不一样，可以有四种不同组合，以此接线不同，靠装置侧DI信号检测计算，自动给出传感器倍率系数。

在步骤(4)中，辅助信号分为三种。第一种为隔离的三相交流电源辅助信号。它是由与辅助显示原理相同的另一组电流型电压互感器产生，有独立共地参考点，负载电阻50.0欧姆，变比为3000:1；即单相240V时，可在辅助信号的交流电压端子测得80.0mV的有效值。第二种为交直流电流信号，直接来自传感器二次；与一次系统依靠传感器本身隔离，趋于电阻为1.00欧姆，共地点在MU侧。第三种为4-20mA的直流电流、直流电压变换信号。取样电阻为50.0欧姆，共地点同样在MU侧。这些信号可作为现场检查、验证一次测量回路的工作状态，也可做为第三方仪器提供测试的信号源。

在步骤(5)中，全部显示由5.6寸彩色触摸屏实现。显示分开机画面、菜单选择画面、当前传感器连接状态画面、实时参数显示画面和异常报警画面。这些画面先经过编辑存入显示屏内部，再把显示文本和触控按键的的属性定义好。例如：显示文本的大小、颜色、位置、位数、内存编号等等。

显示数据传输单独由内部控制板的单片机实现。单片机通过内部RS485总线读取功率测量模块的电量参数。同时计算直流回路的直流参数，最后通过内部RS232接口向显示屏发送符合显示协议的串行数据。数据刷新周期约0.9秒左右。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例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 (7)

1.一种高精度高带宽的电能质量检测装置，其特征在于，所述装置包括：

模拟测试模块，通过安全快接插口与前端传感模块连接，用于对储能变流设备的测量转换信号进行精度标定以及通过切换开关对此设备功能的模拟测试；

前端传感模块，通过安全快接插口与被测设备连接，用于对被测设备交直流电流和交直流电压的快速采集，将采集信息传到自动量程识别转换模块；

自动量程识别转换模块，用于识别接入不同量程的传感器，包括不同量程传感器混合接入识别，传感器接入的电流参考方向识别，生成被测二次信号，将生成的二次信号传到辅助显示模块、测量模块、辅助测试模块和电能质量分析存储模块；

测量模块，用于对被测设备进行电流和电压的测量；

电能质量分析存储模块，用于对所述被测二次信号进行谐波分析、数据存储和统计分析，将分析后的数据通过远程通信模块传到后台分析模块；

辅助显示模块，采用高清新800×480点5.6寸彩色屏，实现与内部信号处理板通信，用于显示被测二次信号的参数量；

辅助测试模块，用于把传感器及装置的部分监视信号处理后输出到后面端子；

后台分析模块，用于对接收到的数据按时间序列展开分析，根据数据再现波形；

远程通信模块，集成了RS232，LAN及RS485通信接口，用于将所述电能质量分析存储模块的被测二次信号和统计分析结果发送到所述后台分析模块。

2.根据权利要求1所述电能质量检测装置，其特征在于，所述前端传感模块包括直流电压传感器、精密交流电压转换模块、交流电流传感模块和直流电流传感模块；所述交流电流传感模块采用0-400A和0-800A的霍尔传感器；所述直流电流传感模块测量范围为±750A、±1500A和±3000A的霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述电能质量检测装置，其特征在于，所述电能质量分析存储模块中包括：

谐波分析模块，采样频率为每周期500点，对50次谐波进行分析和评估；

数据存储模块，配置有存储卡，将测量的实时数据以CSV文件格式保存到存储卡中，用于存储被测二次信号的数据，便于后期的分析处理；

统计分析模块，用于实时接收、分析、计算来自装置的实时数据，定量定性解析来自所述数据存储模块的保存数据；形成各谐波含量比例百分比，谐波总量，基频频率，电流、电压、功率有效值。

4.一种用权利要求1所述的高精度高带宽的电能质量检测装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)对储能变流设备的测量转换信号进行精度标定，并通过切换开关对此设备功能进行模拟测试；

(2)与被测设备连接，采集被测设备的交直流电流和电压；

(3)识别测试量程；

(4)输出辅助信号；

(5)显示测试的辅助信息。

5.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括如下步骤：

步骤1-1、当加入标准信号源时，将切换开关置于A侧，测试标准信号源加入到测量设备的安全快接插头，对所述测量设备的准确度进行对比校验；

步骤1-2、当现场测量时，将切换开关切换至B侧，同一AC信号送入所述测量设备的安全快接插头，观察辅助显示模块的数据差异性，可初步判断所述测量设备的工作状态。

6.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述交直流电流的采集采用高精度的闭环霍尔传感器为基础测量原件，在霍尔传感器的外环绕制不同匝数的补偿线圈，补偿霍尔磁敏原件因微小磁滞效应造成的分散零点误差。

7.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述交直流电压若为1000V，则采用独特的比例线性光耦方法，包括如下步骤：

步骤2-1、用低温漂的无感电阻把0-1000V电压分压为0-2.5V；

步骤2-2、用精密低失调的运放，做光反馈跟踪输入电压，采用比例线性光耦，除一次反馈光以外，在隔离的二次同样有分光照射，分光作用在光耦三极管上，其输出电流作用于取样电阻；

步骤2-3、把取样电阻输出的0-2.5V电压信号通过精密电压跟随缓冲，供后级处理用。