CN202486210U - 一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置，包括用于将输入电压转换为模拟小电压信号的电压信号调理单元、电压RC滤波相位匹配单元、用于将输入电流转换为模拟小电流信号的电流互感器、电流信号调理单元、电流RC滤波单元、用于模数转换的ADC模数转换器、用于电压电流值的数据处理单元，电压信号调理单元与电压RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电压信号输入端相连，电流互感器依次与电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电流信号输入端相连，ADC模数转换器的数字信号输出端与数据处理单元相连；电流互感器为零磁通电流互感器。本实用新型可提高在谐波影响下电能计量的准确度。

Description

一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置

技术领域

本实用新型涉及电能计量技术，具体涉及一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置。

背景技术

现有对电网进行电能计量的装置是电能表，而普遍使用的电能表所采用的电流互感器为基于电磁感应定律的铁芯式电流互感器，在一般的计量应用中，该电流传感器可以获得较好的线性度、抗干扰性以及稳定度，但当受到冲击负荷时，这种普通电路互感器因没有较宽的量程而导致计量不准确；并且，普通电能表针对宽动态范围信号处理，通常采用普通16位ADC模数转换器+量程切换的方案，无论是对采样点值进行判断，还是依据波形有效值进行判断，量程切换不可避免的需要引入反馈控制环节，具有时间迟滞效应，引起计量误差；而对于冲击负荷具有频繁变换特性的负荷，极可能因为反馈控制环节的反馈迟滞造成量程切换的误控制，从而也引起计量误差。另外，一般电能表工作时，电网的电压、电流信号将分别经过电能表的电压、电流前置处理电路的调理后进入电能表的AD转换单元，而电压、电流信号经过不同的前置处理电路后会产生不同的相移，导致进入AD单元的信号与原始信号之间存在附加的相位差，最终导致计量的不准确。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置，可提高在谐波影响下电能计量的准确度。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案如下：

一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置，包括用于将输入电压转换为模拟小电压信号的电压信号调理单元、用于对模拟小电压信号进行滤波的电压RC滤波相位匹配单元、用于将输入电流转换为模拟小电流信号的电流互感器、用于对模拟小电流信号进行调理的电流信号调理单元、用于将调理后模拟小电流信号进行滤波的电流RC滤波单元、用于模数转换的ADC模数转换器、用于电压电流值的数据处理单元，所述电压信号调理单元与电压RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电压信号输入端相连，所述电流互感器依次与电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电流信号输入端相连，所述ADC模数转换器的数字信号输出端与数据处理单元相连；所述电流互感器为零磁通电流互感器；

通过电压信号调理单元将外部电网电压信号转换为模拟小电压信号，并由电压RC滤波相位匹配单元对该模拟小电压信号进行滤波；通过电流互感器将外部电网电流信号转换为模拟小电流信号，并分别通过电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元对该模拟小电流信号进行调理、滤波；再通过ADC模数转换器将所述模拟小电压、小电流信号转换为数字信号后输入数据处理单元，由数据处理单元计算得出电压、电流、谐波电压、谐波电流的有效值。

本实用新型所述ADC模数转换器采用24位的ADC模数转换器。

本实用新型所述小电压信号经过电压RC滤波相位匹配单元后具有电压信号相位差，所述小电流信号经过电流RC滤波相位匹配元后具有电流信号相位差，所述电压信号相位差与电流信号相位差相等。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本装置采用零磁通电流互感器，其次级电流能精确地反映初级电流的大小和相位，从而得到高精度电流互感器，并且在宽范围内的具有较优的线性度及角差特性，适用于谐波影响下电能计量场合；

(2)本装置采用24位的ADC模数转换器具有宽频率响应，在高次谐波内衰减很小，对有功功率的计量准确度影响很小，提高了谐波影响下的计量准确度；

(3)电压、电流分别对应经过电压、电流RC滤波相位匹配单元后的相位差相等，提高了计量准确度。

附图说明

图1是本实用新型的连接示意图；

图2是本实用新型电压前置电路的电路图；

图3是本实用新型电压前置电路的相频特性图；

图4是本实用新型电流前置电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示的一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置，包括用于将输入电压转换为模拟小电压信号的电压信号调理单元、用于对模拟小电压信号进行滤波的电压RC滤波相位匹配单元、用于将输入电流转换为模拟小电流信号的电流互感器、用于对模拟小电流信号进行调理的电流信号调理单元、用于将调理后模拟小电流信号进行滤波的电流RC滤波单元、用于模数转换的ADC模数转换器、用于电压电流值的数据处理单元，所述电压信号调理单元与电压RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电压信号输入端相连，所述电流互感器依次与电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电流信号输入端相连，所述ADC模数转换器的数字信号输出端与数据处理单元相连；所述电流互感器为零磁通电流互感器；

通过电压信号调理单元将外部电网电压信号转换为模拟小电压信号，并由电压RC滤波相位匹配单元对该模拟小电压信号进行滤波；通过电流互感器将外部电网电流信号转换为模拟小电流信号，并分别通过电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元对该模拟小电流信号进行调理、滤波；再通过ADC模数转换器将所述模拟小电压、小电流信号转换为数字信号后输入数据处理单元，由数据处理单元计算得出电压、电流、谐波电压、谐波电流的有效值。

ADC模数转换器采用24位的ADC模数转换器，采用此24-bit高精度的ADC模数转换器，其采样精度与动态范围均可大幅提高，经仿真分析，在1％I_n电流点的因采样引起的电能计量误差缩减为-0.015％，适用于0.2s或0.5s的高准确度计量场合。

外部电网的电压、电流信号转换为模拟小电压、小电流信号后，再分别经过电压RC滤波调理单元、电流RC滤波调理单元进行滤波、调理，电压、电流信号经过不同的RC滤波调理单元后会产生不同的相移导致进入ADC模数转换器的信号相位

与原始信号相位

之间存在附加的相位差

即：

本装置的电压前置电路包括电压信号调理单元及电压RC滤波相位匹配单元，如图2所示。

本装置小电压信号经过电压RC滤波相位匹配单元后具有电压信号相位差，小电流信号经过电流RC滤波相位匹配元后具有电流信号相位差，电压信号相位差与电流信号相位差相等。也即，需要对(1)式中附加的相位差

进行减小、修正，为了确保计量结果的准确性，需对附加的相位差

进行修正，本装置通过电路修正的方法实现相位修正，以尽量减小可用如下方法实现：

如图2中L₁、L₂为保护磁环，R_v为压敏电阻，C为电源滤波电容，R、r共同构成分压电路，R_0u、C_0u构成RC滤波电路起抗混叠滤波作用，R_in为ADC模数转换器的输入阻抗。将电路分解为如图2所示的H₁、H₂、H₃三部分，则每部分的传函如下：

$H_1\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{R_V}{R_V-{\mathrm{\ω}}^2{R}_V{L}_{1}C+\mathrm{j\ω}{L}_1}---\left(2\right)$

$H_2\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{r}{R+r+\mathrm{j\ω}{L}_2}---\left(3\right)$

$H_3\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{in}}+R_{0u}+\mathrm{j\ω}{C}_{0u}{R}_{0u}{R}_{\mathrm{in}}}---\left(4\right)$

将各元件的常用参数代入式(2)-(4)，得到各部分的相频特性如图3所示。

从图3的分析可知，影响电压前置电路相频特性的主要为H₃部分的滤波电路。

本装置的电流前置电路包括电流互感器、电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元，如图4所示。

图4中Rs为电流取样电阻，R_0i、C_0i构成RC滤波电路起抗混叠滤波作用。将电路分成S₁、S₂两部分，则S₁的相频特性取决于所用传感CT的相频特性，S₂的相频特性与前述H₃电路类似。

为使得电压、电流两个回路的前置电路产生的附加相位差减小，应使：

而由于电流互感器一旦确定了型号，其相移特性则不可调整。而电压前置电路中的H₁、H₂电路对整体电路的相移特性影响很小，只有通过调整H₃及S₂电路参数，即调整R_0u、C_0u、R_0i、C_0i来实现式(5)的相位匹配要求。

具体地，当R_0u＝R_0i＝100Ω，C_0u＝C_0i＝1000pF的时候，测得电压、电流回路的附加相位差约为-0.23°，而调整电路参数使C_0u＝100pF时，附加相位差

缩减为-0.04°，则可提高谐波影响下计量的准确度。

本实用新型的实施方式不限于此，在本实用新型上述基本技术思想前提下，按照本领域的普通技术知识和惯用手段对本实用新型内容所做出其它多种形式的修改、替换或变更，均在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高谐波影响下电能计量准确度的装置，其特征在于：包括用于将输入电压转换为模拟小电压信号的电压信号调理单元、用于对模拟小电压信号进行滤波的电压RC滤波相位匹配单元、用于将输入电流转换为模拟小电流信号的电流互感器、用于对模拟小电流信号进行调理的电流信号调理单元、用于将调理后模拟小电流信号进行滤波的电流RC滤波单元、用于模数转换的ADC模数转换器、用于电压电流值的数据处理单元，所述电压信号调理单元与电压RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电压信号输入端相连，所述电流互感器依次与电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元、ADC模数转换器的电流信号输入端相连，所述ADC模数转换器的数字信号输出端与数据处理单元相连；所述电流互感器为零磁通电流互感器；

通过电压信号调理单元将外部电网电压信号转换为模拟小电压信号，并由电压RC滤波相位匹配单元对该模拟小电压信号进行滤波；通过电流互感器将外部电网电流信号转换为模拟小电流信号，并分别通过电流信号调理单元、电流RC滤波相位匹配单元对该模拟小电流信号进行调理、滤波；再通过ADC模数转换器将所述模拟小电压、小电流信号转换为数字信号后输入数据处理单元，由数据处理单元计算得出电压、电流、谐波电压、谐波电流的有效值。

2.根据权利要求1所述的提高谐波影响下电能计量准确度的装置，其特征在于：所述ADC模数转换器采用24位的ADC模数转换器。

3.根据权利要求1所述的提高谐波影响下电能计量准确度的装置，其特征在于：所述小电压信号经过电压RC滤波相位匹配单元后具有电压信号相位差，所述小电流信号经过电流RC滤波相位匹配元后具有电流信号相位差，所述电压信号相位差与电流信号相位差相等。

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