CN110658407A - 一种计量装置 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电子技术领域，特别是涉及一种计量装置。现有技术对电能质量解析精度差且能够解析的电能质量指标少、不全面。本申请提供了一种计量装置，包括通信连接的数据采集单元和数据处理单元；所述数据采集单元，用于采集电能信号，将所述电能信号转换为数字信号后传输给所述数据处理单元，所述数据处理单元，用于接收所述数字信号，对所述数字信号进行解析后算出电能质量指标，并对所述电能质量指标显示和传输。通过较高的采样频率和采样精度来对配电网的三相电分别进行模数转换得到三相数字信号，并根据三相数字信号得到电能质量指标，提高了对配电网测量电能质量指标时的精度。
Description
技术领域
本申请属于电子技术领域，特别是涉及一种计量装置。
背景技术
在现代配电网中，大量新能源和电力电子装置的使用，使得配电网中潮流变化快，高频干扰信号过多，谐波成分复杂，电网电压或电流波形畸变严重，这不仅影响电力设备的使用寿命，还会使继电器等设备误动作造成电力故障。
另一方面，目前在高科技和信息行业中存在大量对电能质量敏感的设备，以及电力公司与售电公司越来越重视线损控制，这使得人们对电能可靠性和安全性的评估测试提出了更高精度的要求。当电能计量装置发生偏差，测量不准时，会给供用电双方造成严重的经济损失，因此需要设计更高精度的电能质量测量系统去校准它们。新形势下对电能质量检测仪表的检测精度要求越来越高，新型高精度电能质量测量装置的研发已经成为趋势。
如图1所示，现有的计量装置通过电压互感器对配电网的电压进行降压得到电压信号，通过电感互感器对配电网的电流进行降流得到电流信号，由采集器对上述电压信号和电流信号进行处理，将模拟量转换为数字量，再将数字量传输给各种电量测量仪表进行分析计算。在此过程中不可避免地会引入一系列的干扰、互感器转换产生的误差、模数转换的舍入误差、传输过程的损耗以及计量装置的算法误差等。
发明内容
1.要解决的技术问题
目前现有的计量装置通过电压互感器对配电网的电压进行降压得到电压信号，通过电感互感器对配电网的电流进行降流得到电流信号，由采集器对上述电压信号和电流信号进行处理，将模拟量转换为数字量，再将数字量传输给各种电量测量仪表进行分析计算。在此过程中不可避免地会引入一系列的干扰、互感器转换产生的误差、模数转换的舍入误差、传输过程的损耗以及计量装置的算法误差等，本申请提供了一种计量装置。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种计量装置，包括通信连接的数据采集单元和数据处理单元；
所述数据采集单元，用于采集电能信号，将所述电能信号转换为数字信号后传输给所述数据处理单元，
所述数据处理单元，用于接收所述数字信号，对所述数字信号进行解析后算出电能质量指标，并对所述电能质量指标显示和传输。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数据采集单元与所述数据处理单元通过以太网连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述采集电能信号采集精度为20位，采样率为40000Hz。
本申请提供的另一种实施方式为：所述电能质量指标包括以下指标中的至少一项：频率、工频谐波、闪变、电压暂升暂降及中断、三相电不平衡度、有效值、功率。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数据采集单元为采集器，所述采集器将电能信号通过模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过百兆以太网传输至所述数据处理单元。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数字信号以三相电分离传输的方式通过以太网传输至所述数据处理单元。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数据处理单元通过智能终端显示所述电能质量指标，所述数据处理单元将所述电能质量指标传输至第三方。
本申请提供的另一种实施方式为：所述频率监测采用加汉宁窗的FFT，所述工频谐波根据所述频率做变点FFT进行计算，所述闪变采用有效值检波法进行测量。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数据处理单元采用libpcap包从网卡物理层直接读取原始数据。
本申请提供的另一种实施方式为：所述计量装置采用x86架构工控机，所述计量装置基于Linux操作系统。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种计量装置的有益效果在于：
本申请提供的计量装置，通过较高的采样频率和采样精度来对配电网的三相电分别进行模数转换得到三相数字信号，并根据三相数字信号得到电能质量指标，提高了对配电网测量电能质量指标时的精度。
本申请提供的计量装置采用x86架构工控机，在linux操作系统下研发出一种远超于IEC/GB等国际标准的电能质量分析算法；选用linux多线程开发，系统实时性、稳定性高。
本申请提供的计量装置通信方式选用百兆以太网通信，保证了数据的有效传输(25us一包数据，串口等方式无法满足)。
本申请提供的计量装置，通过利用libpcap包从网卡物理层直接读取原始数据，不通过TCP/IP协议栈。由于已知通信协议，直接从固定偏移处读取测量数据并根据关键字节进行判断数据有效性。通过自己提取数据这一方法提高了数据的解析速度，为接下来的数据处理节省时间。
本申请提供的计量装置，通过采用双FFT方法计算谐波等电能质量指标，最大程度地做到整周期截断信号，从根本上解决了栅栏效应，算法稳定度可靠性高。第一步FFT将原始信号加窗进行FFT计算，得到精准频率值，根据频率值以及采样率得到周期采样点数。第二步FFT根据第一步得到的周期采样点数进行信号的整周期截断进行FFT计算，由于是整周期截断信号可以消除栅栏效应。
本申请提供的计量装置适用于大部分平台，移植性高。
本申请提供的计量装置，对电能质量进行高精度实时监测，对电能进行反馈改善后，可以延长电力设备的使用寿命，还会避免继电器等设备产生不必要的误动作，对线损等损耗进行控制，有效地改善电能质量。
附图说明
图1是现有的计量装置结构示意图；
图2是本申请的计量装置原理示意图；
图3是本申请的采集器结构示意图；
图4是本申请的波动衰减系数和频率之间关系曲线示意图；
图5是本申请的电流三相不平衡对称分量示意图；
图6是本申请的电能质量第一显示图；
图7是本申请的电能质量第二显示图；
图中：1-数据采集单元、2-数据处理单元。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
三相交流电是电能的一种输送形式，简称为三相电。三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成的电源。
libpcap是unix/linux平台下的网络数据包捕获函数包，大多数网络监控软件都以它为基础。
参见图1～7，本申请提供一种计量装置，包括通信连接的数据采集单元1和数据处理单元2；
所述数据采集单元1，用于采集电能信号，将所述电能信号转换为数字信号后传输给所述数据处理单元，
所述数据处理单元2，用于接收所述数字信号，对所述数字信号进行解析后算出电能质量指标，并对所述电能质量指标显示和传输。
进一步地，所述数据采集单元1与所述数据处理单元2通过以太网连接。
进一步地，所述采集电能信号采集精度为20位，采样率为40000Hz。
进一步地，所述电能质量指标包括以下指标中的至少一项：频率、工频谐波、闪变、电压暂升暂降及中断、三相电不平衡度、有效值、功率。
进一步地，所述数据采集单元为采集器，所述采集器将电能信号通过模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过百兆以太网传输至所述数据处理单元。
采集器AD芯片40000Hz采样频率，20位的AD采样精度，保证对信号的最大不失真。采用百兆以太网通信(采集器信号传输方式)，保证信号的传输速率。
进一步地，所述数字信号以三相电分离传输的方式通过以太网传输至所述数据处理单元。
进一步地，所述数据处理单元2通过智能终端显示所述电能质量指标，所述数据处理单元将所述电能质量指标传输至第三方。
这里要说明的是，该数据处理单元2可以直接对各项电能质量指标进行显示，也可以通过计算机、平板电脑或者手机等智能终端进行显示，方便需要数据的人员获取，同时可以将这些数据传输至需要数据的第三方。
进一步地，所述频率监测采用加汉宁窗的FFT，所述工频谐波根据所述频率做变点FFT进行计算，所述闪变采用有效值检波法进行测量。
进一步地，所述数据处理单元2采用libpcap包从网卡物理层直接读取原始数据。
进一步地，所述计量装置采用x86架构工控机，所述计量装置基于Linux操作系统。
下面对上述各个指标的计算方式进行详细描述：
频率
选用加汉宁窗的快速傅立叶变换(fast Fourier transform，FFT)进行频率的监测。根据IEC 61000标准，测量时间窗必须为10周期(200ms)。对应于工频50Hz采样率40000Hz系统，即8000点算一次FFT。
汉宁窗的时域表达式：
对原始三相数字信号x(n)进行加窗处理，得到xw(n)＝x(n)*w(n)。
然后对xw(n)进行FFT计算，得到X(k)。
对信号非整周期截断时，由于栅栏效应，信号的频率kΔf很难位于抽样频点上，采用三谱线插值进行频率补偿。
频谱分辨率fs/N＝40000/8000＝5Hz，50Hz位于ka＝10左右，得到补偿后的频率f为：
f＝(ka+δ)*Δf 公式2
其中，δ＝0.66666287α-0.0739832α3+0.01587258α5-0.00311639α7，Δf＝fs/N，
y1＝|X(ka-1)|，y2＝|X(ka)|，y3＝|X(ka+1)|。
工频谐波
根据前面得到的频率做变点FFT，得到工频谐波。
具体的，可以根据频率的每周期点数做整周期采样，然后进行10周期FFT计算，得到工频谐波。例如49Hz时,每周期采样816个点，FFT取8160个点进行工频谐波计算。
通过双FFT方法计算频率、工频谐波等电能质量指标，最大程度地做到整周期截断信号，从根本上解决了栅栏效应，算法稳定度可靠性高。第一步FFT将原始信号加窗进行FFT计算，得到精准频率值，根据频率值以及采样率得到周期采样点数。第二步FFT根据第一步得到的周期采样点数进行信号的整周期截断进行FFT计算，由于是整周期截断信号可以消除栅栏效应。
闪变
IEC61000-4-15标准推荐的闪变测量模型采用了平方检波原理，适用于模拟系统。本申请采用有效值检波法进行闪变的测量。根据定义可知可以用输入电压u(t)半周期的方均根值的包络线来表示电压的波动x(t)。
如图4所示，为波动衰减系数和频率之间关系曲线的示意图。在0～25Hz的频率下，波动的衰减系数随着频率增加而降低，这也说明了瞬时闪变度S的误差随着频率增大而增大。因此在使用有效值检波的方法时，需要对各频率下求得的瞬时闪变值进行逐点加权校正，校正系数就是各频率下波动衰减系数的倒数，这样可以减少一定的计算误差。
IEC标准中，闪变检测算法需要0.05～35Hz的带通滤波器，而且还需要视感度加权滤波器以及最后的一阶平滑滤波器，在测量过程中计算量复杂，消耗一定的计算时间，而且每个滤波器都会产生一定的时延，对系统的实时性得不到保证，因此本申请采用基于FFT的离散化闪变检测算法。
电压波动公式如下所示：
其中，ΔU＝Umax-Umin；Umax表示电压方均跟曲线上的极大值；Umin表示相邻的极小值，对于连续周期性变化的信号而言，即曲线上相邻峰峰值大小；UN表示额定电压。
第一步：根据每半个工频采样的点数N(本系统采样率为40ksps，因此每半个工频采样点数为400)，利用公式4进行计算一次均方根值(有效值)，即10ms计算一次半波有效值，并将计算完后的半波有效值存入寄存器中，形成一段离散的半波电压(电流)有效值序列U(N)；
第二步：对离散的半波方均根序列U(N)进行FFT变换，得到序列Uf(n)，即各频率下对应的频谱分量；频率fi的二倍频谱幅值对应的是该频率下正弦电压半波方均根序列上的电压波动值，再将该值除以经过FFT分离出来的直流分量即额定电压Uf(0)，就能得到频率fi下的电压波动d(i)；d(i)除以该频率下产生一个单位瞬时闪变视感度所需的电压波动di再平方，就能求出频率fi下对应的瞬时闪变值Si，公式如下：
IEC标准中，只对0.5～25Hz内的36个固定点给出了单位瞬时闪变S(t)＝1的对应的电压波动d(i)(％)，如表1所示：
表1
为了满足更高频率间隔，对0.5～25Hz频率范围内的表内数据进行了拟合插值，得到了2450个双浮点(double)型电压变动值di。
第三步：当加入多频率调幅波时，瞬时闪变值S为各个频率的瞬时闪变值Si的累加和，公式如下：
需要说明的是，k大小的取值取决于0.5～25Hz频率内的频率间隔，对于本系统而言，FFT的时间窗为10ms×1000＝10s，所以频谱分辨率为0.1Hz，k的取值为245；
连续取60个瞬时闪变值，进行升序排列序列InstantFlickerValue[60]。
常用5个规定值来计算短时间闪变统计值Pst，分别是P0.1、P1、P3、P10、P50，它们分别表示在10min范围内瞬时闪变值超过0.1％，1％，3％，10％，50％时的闪变视感水平。通过线性插值的方法来得到这几个数值。
P0.1＝InstantFlickerValue[59]+0.06*(InstantFlickerValue[58]-InstantFlickerValue[59])
P1＝InstantFlickerValue[59]+0.6*(InstantFlickerValue[58]-InstantFlickerValue[59])
P3＝InstantFlickerValue[58]+0.8*(InstantFlickerValue[57]-InstantFlickerValue[58])
P10＝InstantFlickerValue[53]
P50＝InstantFlickerValue[29]
长时间闪变值可由2h测量时间内短时闪变值计算得到，计算公式如下所示：
其中：Psti表示2h内第i个短时间闪变值，由于闪变值是10min计算一次，长时间闪变值则需要12个短时间闪变值序列求得。
电压暂升暂降及中断
由IEC61000-4-30标准可知，电压暂升暂降及中断的测量量为每隔10ms计算一次方均根，即半波有效值Urms(1/2)，且电压暂升暂降及中断都是电压幅值的变化，测量时工频频率还是维持在50Hz。在单相系统中，电压暂升开始于方均根值Urms(1/2)上升到额定电压的110％以上，结束于方均根值Urms(1/2)小于或等于额定电压的110％减滞环电压(一般为2％的额定电压)。电压暂降开始于方均根值Urms(1/2)下降到额定电压的90％，结束于方均根值Urms(1/2)大于或等于额定电压的90％加滞环电压。电压中断是电压暂降的特例，开始于方均根值Urms(1/2)下降到额定电压的1％，结束于方均根值Urms(1/2)大于或等于额定电压的1％加滞环电压。
IEC61000-4-30标准规定用电压的残余深度和持续时间来表征电压暂降，用电压升高的最大幅值和持续时间来表征电压暂升，用持续时间来描述电压中断的特征。
三相不平衡度
对电力系统的各相电压采样信号进行快速傅里叶变换，得到各相基波电压或电流的幅值和相角，利用对称分量法，将基波电压、电流分解成三组对称的正序分量，负序分量和零序分量。图5为电流三相不平衡对称分量的示意图，不平衡对称分量的推导过程如下：
三相对称系统瞬时表达式为：
以A相为参考相量，则三相系统的向量表达式1为：
向量表达式2为：
令a＝ej120°＝e-j240°，a2＝ej240°＝e-j120°，a3＝ej360°＝ej0°，
对于三相不平衡系统而言：
以A相为参考相得到：
将公式7-公式9代入公式6可得：
反解可得：
用不平衡度来表征三相不平衡程度，不平衡度计算用三相电压负序基波分量(或者零序基波分量)与正序基波分量的方均根值的百分比表示。新的国标将“不平衡度”指明为“负序不平衡度”，所以计算不平衡度也就是计算负序不平衡度，公式如下：
其中，εU表示三相不平衡度；
表示正序电压基波分量；
表示负序电压基波分量。
有效值
每10个连续周期内的电压(电流)瞬时值进行真有效值计算。
功率
对有功功率P、无功功率Q、视在功率S进行10周期定义计算：
S＝Urms_200msIrms_200ms 公式23
经试验测得计量装置的测量精度如下：
表2
本申请实施例提供的计量装置，通过较高的采样频率和采样精度来对配电网的三相电分别进行模数转换得到三相电数字信号，并根据三相电数字信号得到电能质量指标，提高了对配电网测量电能质量指标时的精度。
由于本申请的实施例中的计量装置可以应用于上述方法，因此，其所能获得的技术效果也可参考上述方法实施例，本申请的实施例在此不再赘述。
需要说明的是，上述各单元可以为单独设立的处理器，也可以集成在控制器的某一个处理器中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于控制器的存储器中，由控制器的某一个处理器调用并执行以上各单元的功能。这里所述的处理器可以是一个中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，或者是特定集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
Claims (10)
1.一种计量装置，其特征在于：包括通信连接的数据采集单元和数据处理单元；
所述数据采集单元，用于采集电能信号，将所述电能信号转换为数字信号后传输给所述数据处理单元，
所述数据处理单元，用于接收所述数字信号，对所述数字信号进行解析后算出电能质量指标，并对所述电能质量指标显示和传输。
2.如权利要求1所述的计量装置，其特征在于：所述数据采集单元与所述数据处理单元通过以太网连接。
3.如权利要求1所述的计量装置，其特征在于：所述采集电能信号采集精度为20位，采样率为40000Hz。
4.如权利要求1所述的计量装置，其特征在于：所述电能质量指标包括以下指标中的至少一项：频率、工频谐波、闪变、电压暂升暂降及中断、三相电不平衡度、有效值、功率。
5.如权利要求1所述的计量装置，其特征在于：所述数据采集单元为采集器，所述采集器将电能信号通过模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过百兆以太网传输至所述数据处理单元。
6.如权利要求5所述的计量装置，其特征在于：所述数字信号以三相电分离传输的方式通过以太网传输至所述数据处理单元。
7.如权利要求1所述的计量装置，其特征在于：所述数据处理单元通过智能终端显示所述电能质量指标，所述数据处理单元将所述电能质量指标传输至第三方。
8.如权利要求4所述的计量装置，其特征在于：所述频率监测采用加汉宁窗的FFT，所述工频谐波根据所述频率做变点FFT进行计算，所述闪变采用有效值检波法进行测量。
9.如权利要求1所述的计量装置，其特征在于：所述数据处理单元采用libpcap包从网卡物理层直接读取原始数据。
10.如权利要求1～9中任一项所述的计量装置，其特征在于：所述计量装置采用x86架构工控机，所述计量装置基于Linux操作系统。
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2019
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