CN204116451U - 一种配电变压器能效计量检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种配电变压器能效计量检测装置，所述检测装置包括：电流检测部分，电压检测部分，智能宽带传感器，宽带测试仪和上位机；所述电流检测部分包括分别与所述配电变压器和所述智能宽带传感器连接的电流互感器；所述电压检测部分包括分别与所述配电变压器和所述智能宽带传感器连接的电压互感器；所述智能宽带传感器、所述宽带测试仪、所述上位机依次连接。该装置能准确的测量出变压器在实际工况下的能源效率值，并且测量仪表引入的不确定度小，适应性强，实际应用价值高。

Description

一种配电变压器能效计量检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种检测装置，具体讲涉及一种配电变压器能效计量检测装置。

背景技术

电网中非线性负载引起的电力谐波加剧配电变压器的总损耗，导致其带负载能力下降，造成电能的巨大浪费。影响变压器总损耗的因素众多,且部分因素存在模糊性和不确定性,降低了能效状态评估的准确性。

由于配电变压器的损耗受负载大小和类型的影响，不是一个固定值，长期以来，国内外判断是否为高损耗配电变压器的方法是通过建立检测装置检测空载试验和短路试验测量其铜耗和铁耗大小，与国家制定的标准比较，这种对变压器进行静态能效测量的检测装置忽略了实际电网中非线性负载影响和负载不平衡等因素对变压器造成的损耗，引入误差较大，不能准确测量谐波存在情况下的变压器功率损耗。

因此研究实际工况下变压器能效计量检测装置，可以为变压器的降损节能以及变压器的能效等级判定提供数据支撑。

实用新型内容

为了克服现有技术中所存在的上述不足，本实用新型提供一种配电变压器能效计量检测装置。

本实用新型提供的技术方案是：一种配电变压器能效计量检测装置，其改进之处于：所述检测装置包括：电流检测部分，电压检测部分，智能宽带传感器，宽带测试仪和上位机；

所述电流检测部分包括分别与所述配电变压器和所述智能宽带传感器连接的电流互感器；所述电压检测部分包括分别与所述配电变压器和所述智能宽带传感器连接的电压互感器；所述智能宽带传感器、所述宽带测试仪、所述上位机依次连接。

优选的，所述配电变压器的输入侧接工频电压源，其输出侧接负载。

优选的，所述电流检测部分包括电流互感器CT、CT1、CT2和CT3；所述电压检测部分包括电压互感器VT、VT1和VT2；

所述电压互感器VT2的一次绕组的一端分别与工频电压源的一端和所述电流互感器CT2的一次绕组的一端连接，所述电压互感器VT2的一次绕组的另一端分别与所述工频电压源的另一端、所述电流互感器CT1的一次绕组的一端、所述电压互感器VT一次绕组的一端和所述电流互感器CT的二次绕组的一端连接，所述电流互感器CT2的一次绕组的另一端分别与所述电压互感器VT的一次绕组的另一端和所述配电变压器的一次绕组的一端连接，所述电流互感器CT1的一次绕组的另一端分别与所述配电变压器一次绕组的另一端和所述电流互感器CT的二次绕组的另一端连接；

所述电流互感器CT的一次绕组的一端分别与所述配电变压器的二次绕组的一端和所述电压互感器VT的二次绕组的一端连接，所述电流互感器CT的二次绕组的另一端与所述电流互感器CT3的一次绕组的一端连接，所述电流互感器CT3的一次绕组的另一端与负载连接，所述电压互感器VT的二次绕组的另一端与所述电压互感器VT1的一次绕组的一端连接，所述电压互感器VT1的一次绕组的另一端分别与所述配电变压器的二次绕组的另一端和所述负载连接；

所述电压互感器VT2的二次绕组的两端、所述电压互感器VT1的二次绕组的两端、所述电流互感器CT1的二次绕组两端、所述电流互感器CT2的二次绕组两端、以及所述电流互感器CT3的二次绕组两端分别与所述智能宽带传感器连接。

进一步，所述电流互感器CT的变比为K1：1，所述电流互感器CT1的变比为1:1，所述电流互感器CT2的变比为1:1；所述电流互感器CT3的变比为1：1；所述电压互感器VT的变比为K2：1，所述电压互感器VT1的变比为1:1，所述电压互感器VT2的变比为1:1；其中K1和K2为任意比例常数，且K1＝K2；

优选的，所述智能宽带传感器包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、AD转换器MAX11045、微控制器MSP430F1X，第一光纤通信接口和隔离电源；

所述电流传感器包括与所述电流互感器输出端相连的输入以及与所述信号调理电路输入端相连的输出；所述电压传感器包括与所述电压互感器输出端相连的输入以及与所述信号调理电路输入端相连的输出；所述信号调理电路包括分别与所述AD转换器MAX11045输入端连接的输出以及与所述微控制器MSP430F1X输入端连接的输出，所述微控制器MSP430F1X包括与所述AD转换器输出端连接的输入以及与所述第一光纤通信接口连接的输出；

所述隔离电源分别与所述信号调理电路、所述AD转换器MAX11045、所述微控制器MSP430F1X连接。

进一步，所述电流传感器包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器；所述电压传感器包括第一电压传感器、第二电压传感器；所述信号调理电路包括：A、B、C、D、E五个信号调理电路；

所述第一电流传感器包括与电流互感器CT1的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路A的输入端相连的输出；所述第二电流传感器包括与电流互感器CT2的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路B的输入端相连的输出；所述第三电流传感器包括与电流互感器CT3的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路C的输入端相连的输出；所述第一电压传感器包括与电压互感器VT1的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路D的输入端相连的输出；所述第二电压传感器包括与电压互感器VT2的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路E的输入端相连的输出；

所述AD转换器MAX11045包括分别与所述信号调理电路A、所述信号调理电路B、所述信号调理电路C、所述信号调理电路D以及所述信号调理电路E连接的输入。

进一步，所述信号调理电路包括缓冲放大器，增益控制器、次级运算放大器、二阶Butterworth低通滤波器、相位补偿电容、输出缓冲器、基波范围低通滤波器和过零检测电路；

所述缓冲放大器、所述增益控制器、所述次级运算放大器、所述二阶Butterworth低通滤波器以及所述输出缓冲器依次连接，所述相位补偿电容与所述二阶Butterworth低通滤波器并联，所述缓冲放大器的另一端为与所述电流传感器输出端或所述电压传感器输出端连接的输入，所述输出缓冲器器的另一端为与所述AD转换器MAX11045连接的输出；

所述基波范围低通滤波器包括与所述增益控制器输出端连接的输入以及与所述过零检测电路输入端连接的输出；所述过零检测电路包括与所述微控制器MSP430F1X输入接口相连的输出。

优选的，所述宽带测试仪包括第二光纤通信接口，数字信号处理器DSP，现场可编程逻辑门阵列FPGA、USB通信接口和LED显示屏；所述第二光纤通信接口、所述数字信号处理器DSP、所述现场可编程逻辑门阵列FPGA和所述USB通信接口依次连接，所述LED显示屏与所述数字信号处理器DSP连接；

所述第二光纤通信接口与智能传感器的第一光纤通信接口相连；所述USB通信接口与上位机连接。

与最接近的技术方案相比，本实用新型具有如下显著进步：

智能宽带传感器与宽带测试仪之间采用光纤线路进行数字信号传输，有效减少了模拟信号传输过程中的信号衰减和复杂电磁干扰，提高了数据传输的实时性。

通过电流互感器CT1检测配电变压器一、二次电流的差值信号，通过电压互感器VT1测量配电变压器一、二次电压的差值信号，可测量出谐波存在情况下的变压器的总有功功率损耗值，并且检测装置引入的不确定度小，适应性强，实际应用价值高；

附图说明

图1本实用新型提供的配电变压器能效计量检测装置的结构原理图；

图2为图1中智能宽带传感器和宽带测试仪的结构原理图；

图3为图2中信号调理电路的结构原理图。

具体实施方式：

为了更好地理解本实用新型，下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型的内容做进一步地说明。

本实用新型提供的实际工况下配电变压器能效计量检测装置的结构原理如图1所示：

实际工况下配电变压器的输入侧接工频电压源，其输出侧接负载。所述负载包括线性负载或非线性负载；当负载为线性的阻性负载时，此时配电变压器的二次侧电流不含谐波，配电变压器的有功损耗只有基波有功损耗；当负载为非线性的负载时，此时配电变压器的二次侧电流就含有谐波，配电变压器的有功损耗就包括基波有功损耗和谐波有功损耗；

本实用新型采用电流互感器和电压互感器分别测量配电变压器在实际工况下的电流参数和电压参数；电流互感器的型号为HL23/10，精度可以达到0.02％，变比的范围很宽；电压互感器的型号为HJB-6.10G0.2，精度可以达到0.002％，额定一次电压为10kV，二次电压为100V。

图1中：电流互感器CT的变比为K1：1，电流互感器CT1的变比为1:1，电流互感器CT2的变比为1:1；电流互感器CT3的变比为1：1；电压互感器VT的变比为K2：1，电压互感器VT1的变比为1:1，电压互感器VT2的变比为1:1；其中K1和K2为任意比例常数，且K1＝K2；

所述电流互感器CT1测量实际工况下配电变压器的电流参数I1-I2/K1，并将测得的电流参数I1-I2/K1输出给智能宽带传感器；其中I1为所述配电变压器在实际工况下的输入电流，I2为所述配电变压器在实际工况下的输出电流；

所述电流互感器CT2测量所述配电变压器在实际工况下的输入电流I1，并将测得的电流I1输出给智能宽带传感器；

所述电流互感器CT3测量所述配电变压器在实际工况下的输出电流I2，并将测得的电流I2输出给智能宽带传感器；

所述电压传感器VT1测量所述配电变压器在实际工况下的电压参数V1/K2-V2，并将测得的电压参数V1/K2-V2输出给智能宽带传感器；其中V1为所述配电变压器在实际工况下的输入电压，V2为所述配电变压器在实际工况下的输出电压；

所述电压互感器VT2测量所述配电变压器在实际工况下的输入电压V1，并将测得的电压参数V1输出给智能宽带传感器；

智能宽带传感器将采集到的相应的电压和电流参数输出给宽带测试仪，通过宽带测试仪计算实际工况下配电变压器的能源效率值，并通过上位机对该能源效率值进行实时波形显示和谐波分析。

如图2所示：所述智能宽带传感器包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、AD转换器MAX11045、微控制器MSP430F1X，第一光纤通信接口和隔离电源；

电流传感器包括三个，三个电流传感器分别测量所述电流互感器CT1、所述电流互感器CT2、所述电流互感器CT3的二次绕组输出电流，电流传感器采用Rogowski线圈，精度可以高于0.1％，电流变比的范围很宽；

电压传感器包括两个，两个电压传感器分别测量所述电压互感器VT1和所述电压互感器VT2的二次绕组输出电压，电压传感器采用高精度电阻分压的方案。

信号调理电路：信号调理电路包括五个结构相同的信号调理电路，信号调理电路的结构如图3所示：包括缓冲放大器，增益控制器、次级运算放大器、二阶Butterworth低通滤波器、相位补偿电容、输出缓冲器、基波范围低通滤波器和过零检测电路。

传感器信号输入到缓冲放大器，完成阻抗匹配及初级放大后输出到增益控制器；增益控制器可在微控制器的控制下调整电路放大系数来保持输出的信号幅度恒定或基本不变，并在在微控制器的控制下输出信号分别给次级运算放大器和基波范围低通滤波器；次级运算放大电路为固定增益宽带放大器，次级运算放大电路主要对信号进行固定倍数的放大，其输出送低通滤波器，为了对高频的信号进行更好的衰减和滤除，因此低通滤波器设计为二阶Butterworth低通滤波器，该二阶Butterworth低通滤波器对信号中的高频部分进行衰减，低频部分信号能够完好保留，为使电压电流的信号调理电路输出达到相位一致，外加可变的相位补偿电容；二阶Butterworth低通滤波器输出经输出缓冲器实现微控制器与AD转换器的速度能达到一致，最后输出缓冲器中的数据输出送AD转换器的输入进行采样。

基波范围低通滤波器只容许基波范围附近的信号通过，其他的信号部分被衰减，保留的基波范围内的信号经过过零检测电路，对该信号的过零时刻进行记录，其输出送MCU的捕获中断口，MCU根据两次信号过零脉冲计算出信号周期。该周期被送到宽带测试仪用于计算频率，并以此频率作为测量系统同步采样和各参量计算的基础频率。

AD转换器：

为保证测量精度的要求和测量后运算的要求，选用16位6通道同时采样ADC芯片MAX11045。AD转换器与微控制器通过并口连接，采样/转换起始由微控制器MSP430F1X控制，所有采集都是同步的。

微控制器：

智能宽带传感器中的微控制器完成智能传感器的增益设置、AD转换器的控制和数据处理、与宽带测试仪的高速数据通信等功能。微控制器选用采用TI公司的MSP430F1X芯片完成。

增益控制有两种方式，或者由微控制器根据被测试信号的测量幅值自动调整，或者通过宽带测试仪人工设置，两种方式的选择在宽带测试仪中完成。

AD转换器的控制和数据处理：

微控制器和AD转换器通过微控制器的并口连接，在一次转换完成后，AD转换器向微控制器发送中断请求，微控制器读取转换结果，经与测量通道相关的误差修正后，数据进行与传感器相关的线性度修正处理，获得被测试信号的准确值。同时获取的电压/电流信号进行高速数据通信数据帧形成，通过串行口向测试仪发送。

第一光纤通信接口：在高压测量系统中，从安全性和数据通信速度及可靠性的角度考虑，选用光纤作为通信接口的物理媒介。智能传感器与测试仪间有3根通信光纤，其中两个作为全双工串行口使用，另外一根为测试仪向两台传感器发送的同步信号使用。

隔离电源：智能传感器中使用的隔离电源与电网电源是隔离的，通过隔离变压器完成。

如图2所示：所述宽带测试仪包括：第二光纤通信接口，主处理器，通讯控制器、USB通信接口和LED显示屏；

宽带测试仪中采用TI公司32位的数字信号处理器DSP作为主处理器，采用FPGA作为实时通讯控制器，数字信号处理器DSP在FPGA的同步逻辑控制下与智能宽带传感器进行通讯。并设置了大容量高速缓存，保证采用的实时性。

宽带测试仪的基本工作流程为：与之连接的智能传感器通过光纤与数字信号处理器DSP的串行口连接，在串行口接收到一个完整的数据帧后，数字信号处理器DSP根据相关数据计算配电变压器在实际工况下的能源效率值η'， ${\mathrm{\η}}^{,}=\frac{V1I1-(I1-I2/K1)\×V1-(V1/K2-V2)\×I2}{V1I1};$ 并在LED上显示当前测量值。同时测量数据通过USB通信接口发送到上位机，进行实时波形显示和谐波分析。

计量检测装置为高电压、大电流操作环境，线路较长，采用光纤线路进行数字信号传输，有效减少了模拟信号传输过程中的信号衰减和复杂电磁干扰。

以上仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于：所述检测装置包括：电流检测部分，电压检测部分，智能宽带传感器，宽带测试仪和上位机； 

所述电流检测部分包括分别与所述配电变压器和所述智能宽带传感器连接的电流互感器；所述电压检测部分包括分别与所述配电变压器和所述智能宽带传感器连接的电压互感器；所述智能宽带传感器、所述宽带测试仪、所述上位机依次连接。 

2.如权利要求1所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述配电变压器的输入侧接工频电压源，其输出侧接负载。 

3.如权利要求1所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述电流检测部分包括电流互感器CT、CT1、CT2和CT3；所述电压检测部分包括电压互感器VT、VT1和VT2； 

所述电压互感器VT2的一次绕组的一端分别与工频电压源的一端和所述电流互感器CT2的一次绕组的一端连接，所述电压互感器VT2的一次绕组的另一端分别与所述工频电压源的另一端、所述电流互感器CT1的一次绕组的一端、所述电压互感器VT一次绕组的一端和所述电流互感器CT的二次绕组的一端连接，所述电流互感器CT2的一次绕组的另一端分别与所述电压互感器VT的一次绕组的另一端和所述配电变压器的一次绕组的一端连接，所述电流互感器CT1的一次绕组的另一端分别与所述配电变压器一次绕组的另一端和所述电流互感器CT的二次绕组的另一端连接； 

所述电流互感器CT的一次绕组的一端分别与所述配电变压器的二次绕组的一端和所述电压互感器VT的二次绕组的一端连接，所述电流互感器CT的二次绕组的另一端与所述电流互感器CT3的一次绕组的一端连接，所述电流互感器CT3的一次绕组的另一端与负载连接，所述电压互感器VT的二次绕组的另一端与所述电压互感器VT1的一次绕组的一端连接，所述电压互感器VT1的一次绕组的另一端分别与所述配电变压器的二次绕组的另一端和所述负载连接； 

所述电压互感器VT2的二次绕组的两端、所述电压互感器VT1的二次绕组的两端、所述电流互感器CT1的二次绕组两端、所述电流互感器CT2的二次绕组两端、以及所述电流互感器CT3的二次绕组两端分别与所述智能宽带传感器连接。 

4.如权利要求3所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述电流互感器CT的变比为K1：1，所述电流互感器CT1的变比为1:1，所述电流互感器CT2的变比为1:1；所述电流互感器CT3的变比为1：1；所述电压互感器VT的变比为K2：1，所述电压互感器VT1的变比为1:1，所述电压互感器VT2的变比为1:1；其中K1和K2为任意比例常数，且K1＝K2。 

5.如权利要求1所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述智能宽带传感器包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、AD转换器MAX11045、微控制器MSP430F1X，第一光纤通信接口和隔离电源； 

所述电流传感器包括与所述电流互感器输出端相连的输入以及与所述信号调理电路输入端相连的输出；所述电压传感器包括与所述电压互感器输出端相连的输入以及与所述信号调理电路输入端相连的输出；所述信号调理电路包括分别与所述AD转换器MAX11045输入端连接的输出以及与所述微控制器MSP430F1X输入端连接的输出，所述微控制器MSP430F1X包括与所述AD转换器输出端连接的输入以及与所述第一光纤通信接口连接的输出； 

所述隔离电源分别与所述信号调理电路、所述AD转换器MAX11045、所述微控制器MSP430F1X连接。 

6.如权利要求5所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述电流传感器包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器；所述电压传感器包括第一电压传感器、第二电压传感器；所述信号调理电路包括：A、B、C、D、E五个信号调理电路； 

所述第一电流传感器包括与电流互感器CT1的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路A的输入端相连的输出；所述第二电流传感器包括与电流互感器CT2的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路B的输入端相连的输出；所述第三电流传感器包括与电流互感器CT3的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路C的输入端相连的输出；所述第一电压传感器包括与电压互感器VT1的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路D的输入端相连的输出；所述第二电压传感器包括与电压互感器VT2的二次绕组相连的输入以及与所述信号调理电路E的输入端相连的输出； 

所述AD转换器MAX11045包括分别与所述信号调理电路A、所述信号调理电路B、所述信号调理电路C、所述信号调理电路D以及所述信号调理电路E连接 的输入。 

7.如权利要求6所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述信号调理电路包括缓冲放大器，增益控制器、次级运算放大器、二阶Butterworth低通滤波器、相位补偿电容、输出缓冲器、基波范围低通滤波器和过零检测电路； 

所述缓冲放大器、所述增益控制器、所述次级运算放大器、所述二阶Butterworth低通滤波器以及所述输出缓冲器依次连接，所述相位补偿电容与所述二阶Butterworth低通滤波器并联，所述缓冲放大器的另一端为与所述电流传感器输出端或所述电压传感器输出端连接的输入，所述输出缓冲器器的另一端为与所述AD转换器MAX11045连接的输出； 

所述基波范围低通滤波器包括与所述增益控制器输出端连接的输入以及与所述过零检测电路输入端连接的输出；所述过零检测电路包括与所述微控制器MSP430F1X输入接口相连的输出。 

8.如权利要求1所述的一种配电变压器能效计量检测装置，其特征在于： 

所述宽带测试仪包括第二光纤通信接口，数字信号处理器DSP，现场可编程逻辑门阵列FPGA、USB通信接口和LED显示屏；所述第二光纤通信接口、所述数字信号处理器DSP、所述现场可编程逻辑门阵列FPGA和所述USB通信接口依次连接，所述LED显示屏与所述数字信号处理器DSP连接； 

所述第二光纤通信接口与智能传感器的第一光纤通信接口相连；所述USB通信接口与上位机连接。