CN108646087B - 故障指示器及使用该故障指示器测量功率因数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及故障指示器及使用该故障指示器测量功率因数的方法。使用本发明测量功率因数时，只需要将第一连接端子电连接在待测电力线上、通过开口将测量线圈穿过待测电力线，启动控制器采集电场数据与电流数据，再根据同一时刻下电场数据与电流数据的相角差，再计算其余弦即可计算功率因数。测量线圈的铁芯上的开口使得本发明的故障指示器可以在待测电力线不停电的情况下直接连接到待测电力线上，不影响现场供电情况。综上可知，本发明的故障指示器及测量方法具有使用方便、价格低廉的优点，在相同的投入下可以很容易全覆盖待测量电力线路进行功率因数测量，有利于提高供电公司对全线路监管能力，提高线路整体供电质量。

Description

故障指示器及使用该故障指示器测量功率因数的方法
技术领域
本发明涉及一种故障指示器及使用该故障指示器测量功率因数的方法。
背景技术
目前对于10千伏系统功率因数测量都采用高计设备进行，要采用高计设备测量功率因数，需要停电安装高计设备，给现场施工人员带来一定的不便性。另外，高计设备自身价格比较高，设备体积也比较大，现场很难进行全覆盖的线路功率因数测量。而线路功率因数大小是供电公司所关心的重要问题之一，如果用电单位功率因数太小，就涉及到无功补偿问题来提高功率因数，否则线路供电质量就比较差，供电公司有权利要求用电单位提高功率因数。因此，功率因数监测就比较重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种价格低廉的测量线路功率因数的故障指示器；本发明的目的还在于提供一种使用上述故障指示器测量线路功率因数的方法。
为实现上述目的，本发明的故障指示器采用以下技术方案：
故障指示器，包括用于测量线路电场值的电场测量回路、用于测量线路电流值的电流测量回路及控制器，控制器包括用于采集并存储测量电场值的第一数据口和用于采集并存储测量电流值的第二数据口；电场测量回路包括由第一连接端子、第一电阻和第二电阻依次串联组成的电场测量主回路，第一电阻与第二电阻之间引出的电场测量接头连接第一数据口；电流测量回路包括由第八电阻、同相加法电路与测量线圈依次串联而组成的电流测量主回路，还包括并联在测量线圈两侧的第三电阻R3，第八电阻与接地端之间引出的电流测量接头连接第二数据口，所述测量线圈的铁芯上具有可将测量线圈卡在待测量线路上的开口；电场测量接头处电场最大值不大于第一数据口的安全限制值，电流测量接头处电场最大值不大于第二数据口的安全限制值。
电场测量回路还包括与电场测量主回路并联设置的二极管和第一稳压二极管，第一稳压二极管的输入电场最大值不大于第一数据口的安全限制值，二极管与第一稳压二极管的正极接地。
电流测量回路还包括串联在第八电阻与接地端之间的第二稳压二极管，第二稳压二极管的正极接地且其输入电场最大值不大于第二数据口的安全限制值；电流测量接头由第八电阻与第二稳压二极管之间引出。
同相加法电路包括阻值相等的第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，同相加法电路的逻辑加法口设置有抬压电场，同相加法电路的逻辑输出口与第八电阻串联。
本发明的测量功率因数的方法采用以下技术方案：
测量功率因数的方法，包括以下步骤，第一步，将故障指示器的第一连接端子电连接在待测量电力线上，并通过开口将测量线圈卡在待测量电力线上；第二步，启动控制器对电场和电流进行同步数据采集，并记录第一数据口采集到的实时电场数据与第二数据口采集到的实时电流数据；第三步，根据实时电场数据与实时电流数据计算功率因数。
在所述第三步中，根据电场数据值最大值与电流数据值最大值之间的相角差计算功率因数。
在所述第三步中，计算功率因数的方法包括如下步骤，步骤301，数据对齐指针A1和A2操作两组数据以参考位置左对齐；步骤302，搜索电场数据最大值并确定其于数组中的位置P1，将电流数据左移M/4单位，搜索左移后的电流数据最大值，并记录与电场数据最大值位置P1最近的电流数据最大值的位置P2；步骤303，利用公式PF＝|cos(2*π*k/(M-1)|计算功率因数，然后输出PF值；式中PF为待测量的功率因数，k＝|P2-P1|，M为第一数据口与第二数据口的一个周期的采样点数。
M≥80，且能被4整除。
在步骤303中，在输出功率因数PF值前，先通过功率因数校正模块对功率因数PF值进行校正，校正方法如下，计算几个周期的功率因数PF后，计算其均值，均值再通过最小二乘法校正，校正后值作为最终输出值。
本发明的有益效果如下：使用本发明测量功率因数时，只需要将第一连接端子电连接在待测电力线上、通过开口将测量线圈穿过电力线，启动控制器采集电场数据与电流数据，再根据同一时刻下电场数据与电流数据的相角差，再计算其余弦即可计算功率因数。测量线圈的铁芯上的开口使得本发明的故障指示器可以在待测电力线不停电的情况下直接连接到待测电力线上，不影响现场供电情况。综上可知，本发明的故障指示器及测量方法具有使用方便、价格低廉的优点，在相同的投入下可以很容易全覆盖待测量电力线路进行功率因数测量，有利于提高供电公司对全线路监管能力，提高线路整体供电质量。
附图说明
图1为本发明的故障指示器的一个实施例在使用状态下的结构示意图；
图2为使用本发明的故障指示器测量功率因数的方法的流程图；
图3为使用本发明的故障指示器测量10KV架空线采集到的A相电流与电流值；
图4为使用本发明的故障指示器测量10KV架空线采集到的B相电流与电流值；
图5为使用本发明的故障指示器测量10KV架空线采集到的C相电流与电流值。
具体实施方式
本发明的故障指示器的实施例：
本发明的故障指示器包括测量线圈1、同相加法电路2、控制器3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1、第一稳压二极管DW1、第二稳压二极管DW2、第八电阻R8。其中控制器3的型号为STM32L471RET6，包括第一数据口A/D1和第二数据口A/D0，控制器能通过数据采集口进行信号采集并将采集到的信号进行存储或是向上位机输送，该部分为现有技术，在此不再详细介绍。
同相加法电路2中第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7取值相等，且同相加法电路的逻辑加法口的起始电场为1.5V，同相加法电路的逻辑减法口与测量线圈1串联。V3.3口为同相加法电路2的电源正端，GND口为接地口。
各电子元器件之间进行电路连接而组成电场测量回路和电流测量回路，电场测量回路包括由第一连接端子P、第一电阻R1和第二电阻R2依次串联组成的电场测量主回路。第一电阻R1与第二电阻R2构成分压关系，第一电阻R1与第二电阻R2之间引出电场测量接头连接第一数据口A/D1。在设计电场测量主回路时，应保证电场测量接头处电场最大值不大于第一数据口A/D1的安全限制值，以保证采集到的波形最大值被保留。
在优选的实施例中，为避免突发情况下电场测量接头处电场大于第一数据口A/D1的安全限制值，电场测量回路还包括与电场测量主回路并联设置的第一稳压二极管DW1，第一稳压二极管DW1的正极接地。因该控制器中，第一数据口A/D1的安全限制值为3.3，所以将第一稳压二极管DW1的输入电场最大值限制在3.3V，以保护第一数据口A/D1。
在优选的实施例中，为避免负半波进入第一数据口A/D1，电场测量回路还包括与电场测量主回路并联设置的二极管D1，二极管D1的正极接地。二极管D1保证正半波进入第一数据口A/D1，假若有负半波时，二极管D1反向导通而滤除负半波，以满足数据采集口只能采集正值信号、不能采集负值信号的特性需求。
电流测量回路包括由第八电阻R8、同相加法电路2与测量线圈1依次串联而组成的电流测量主回路，还包括并联在测量线圈1两侧的第三电阻R3。第八电阻R8与接地端之间引出电流测量接头连接第二数据口A/D0。对电流测量回路中各电子元器件选型时，应使电流测量接头处电场不大于第二数据口A/D0的安全限制值，以确认电流最大值被保留而不会被削波。同相加法电路的逻辑加法口处抬压电场可灵活取值，以配合电流测量回路中各电子元器件的型号，共同控制电流测量接头处电场值大小。第八电阻R8起输入限流作用。
在优选的实施例中，为避免突发情况下电流测量接头处电场大于第二数据口A/D0的安全限制值，电流测量回路还包括串联在第八电阻R8与接地端之间的第二稳压二极管DW2，第二稳压二极管DW2的正极接地。因该控制器中，第二数据口A/D0的安全限制值为3.3，所以将第二稳压二极管DW2的输入电场最大值限制在3.3V，以保护第一数据口A/D0。此情况下，电流测量接头由第八电阻R8与第二稳压二极管DW2之间引出。
测量线圈1的铁芯上具有开口，测量线圈1通过上述开口卡接在待测量电力线4上，本实施例中铁芯由坡莫合金制成。
以下例具体说明由第八电阻R8与第二稳压二极管DW2之间引出接头上最大电场值的计算方法：
假设测量线圈1的匝数N＝1000，线直径d＝0.3mm，圆环状铁芯参数如下：外直径d1＝80mm、内直径d2＝50mm、厚度h＝5mm。
该状态下测量线圈1与待测量电力线4组成的电流互感器的匝数比为1：N。根据I1/I2＝N2/N1可知，原边电流I1(即待测量电力线中流通电流)最大为600A时，次边电流I2最大为0.6A。式中，N1是原边匝数，N2是次边匝数，N2＝N。
当第三电阻R3取值为最大2欧姆时，第三电阻R3两端电场有效值为1.2V，对应交流输出电场的最大值为1.414*1.2＝1.7V。经过同相加法电路后，第三电阻R3两端电场被抬高1.5V后，同相加法电路最大输出值为1.7+1.5＝3.2V，此值在第二数据口A/D0最大采样值3.3V以下，没有被削波输入。所谓削波输入，就是实际信号最大值超过了第二数据口A/D0输入最大值限制，导致信号最大值变化不能被第二数据口A/D0输入所采样区分出来。所以这样参数的电流测量，在线路最大电流为600A时，基本可以保证所测电流不会被削波。
使用本发明的故障指示器测量功率因数的方法如下：
第一步，将第一连接端子P电连接在待测电力线4上，通过开口将测量线圈1也卡在待测量电力线4上；
第二步，启动控制器3进行数据采集，并记录第一数据口A/D1采集到的实时电场数据与第二数据口A/D0采集到的实时电流数据。
在该步骤中，应保证第一电阻R1与第二电阻R2之间引出接头上的电场最大值不超过第一数据口A/D1的安全限制电场，保证第八电阻R8与第二稳压二极管DW2之间引出接头上的电场最大值不超过第二数据口A/D0的安全限制电场。
该步骤中，使用电场电流测量同步模块使得对电场数据和电流数据的测量时间上同步。数据采集之后，第一数据口A/D1测量的电场数据记录在电场采集数据缓存区，第二数据口A/D0测量的电流数据记录在电流采集数据缓存区。
第三步，根据实时电场数据与实时电流数据计算功率因数。
由于电场数据与电流数据的最大值具有局部唯一性，所以在该步骤中，根据电场数据值最大值与电流数据值最大值之间的相角差计算功率因数，这种计算方式能保证功率因数的计算精度。
理论上说，可以取时间轴△t一致的任意两点来计算电场数据与电流数据的相位差，但若是取电场数据与电流数据的过零点相角差会存在以下问题：由于在死区内采样会出现多个零值而不能确定哪个零值的位置是计算需要的，所以计算精度不可控。所以在一些对测量精度要求不高的场合，也可以取其他任一相同时间点时电场数据与电流数据的相角差以计算功率因数。
第三步具体又包括以下步骤：
步骤301，数据对齐指针A1和A2操作两组数据(即电场数据与电流数据)以参考位置左对齐。
步骤302，搜索电场数据最大值并确定其于数组中的位置P1，将电流数据左移M/4单位，搜索左移后的电流数据最大值，并记录与电场数据最大值位置P1最近的电流数据最大值的位置P2。
步骤303，利用公式PF＝|cos(2*π*k/(M-1)|计算功率因数，然后输出PF值。
在步骤303中搜索最大值时，如果有几个值相等且最大，则记录中间位置的最大值的位置信息。
在步骤303中，在输出功率因数PF值前，先通过功率因数校正模块对功率因数PF值进行校正，功率因数校正模块主要作用是计算几个周期的功率因数后，计算其均值，均值再通过最小二乘法校正，校正后值作为最终输出值。
上式中式中PF为待测量的功率因数，k＝|P2-P1|，M为第一数据口A/D1、第二数据口A/D0一个信号周期内的采样点数。为保证功率因数测量精度，建议M≥80，且能被4整除，功率因数软件计算过程可以用图2结构描述。
以下述实施例对本发明故障指示器的精度进行验证：
使用上述方法实际采集某10KV线路A相、B相、C相电流和电流时波形分别如图3、图4、图5所示，按上述计算方法计算得A相功率因数计算为0.99684，B相功率因数计算为0.99271，C相功率因数计算为0.99915，与高计设备计算结果相比，绝对误差在0.001～0.02之间，说明使用本发明的故障指示器测量功率因数非常有效。使用本方法，将大大降低现场成本，提高现场分布式监测功率因数能力。
本发明的测量功率因数的方法的实施例：
本发明的测量功率因数的方法与故障指示器的实施例中使用故障指示器测量功率因数的方法相同，具体可参考图1～图5，在此不再详述。

Claims (3)

1.测量功率因数的方法，其特征在于：基于故障指示器进行功率因素的测量，所述故障指示器包括用于测量线路电场值的电场测量回路、用于测量线路电流值的电流测量回路及控制器，控制器包括用于采集并存储测量电场值的第一数据口和用于采集并存储测量电流值的第二数据口，电场测量回路包括由第一连接端子、第一电阻和第二电阻依次串联组成的电场测量主回路，电流测量回路包括由第八电阻、同相加法电路与测量线圈依次串联而组成的电流测量主回路，所述测量线圈的铁芯上具有可将测量线圈卡在待测量线路上的开口，测量时包括以下步骤，第一步，将故障指示器的第一连接端子电连接在待测量电力线上，并通过开口将测量线圈卡在待测量电力线上；第二步，启动控制器对电场和电流进行同步数据采集，并记录第一数据口采集到的实时电场数据与第二数据口采集到的实时电流数据；第三步，根据实时电场数据与实时电流数据计算功率因数；在所述第三步中，根据电场数据值最大值与电流数据值最大值之间的相角差计算功率因数，计算功率因数的方法包括如下步骤，步骤301，数据对齐指针A1和A2操作两组数据以参考位置左对齐，其中两组数据指的是所述实时电场数据与实时电流数据；步骤302，搜索电场数据最大值并确定其于数组中的位置P1，将电流数据左移M/4单位，搜索左移后的电流数据最大值，并记录与电场数据最大值位置P1最近的电流数据最大值的位置P2；步骤303，利用公式PF＝|cos(2*π*k/(M-1)|计算功率因数，然后输出PF值；式中PF为待测量的功率因数，k＝|P2-P1|，M为第一数据口与第二数据口的一个周期的采样点数。
2.根据权利要求1所述的测量功率因数的方法，其特征在于：M≥80，且能被4整除。
3.根据权利要求1所述的测量功率因数的方法，其特征在于：在步骤303中，在输出功率因数PF值前，先通过功率因数校正模块对功率因数PF值进行校正，校正方法如下，计算几个周期的功率因数PF后，计算其均值，均值再通过最小二乘法校正，校正后值作为最终输出值。
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