CN214201594U - 一种高压电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种高压电能计量装置，通过设置标准电压互感器和标准电流互感器，为三相电压互感器和三相电流互感器检测信号提供标准信号，通过计算三相电压互感器和三相电流互感器检测信号与标准信号的比差和角差，进而得出三相电压互感器和三相电流互感器的误差，提高系统测量精度；通过设置GPS接收模块用于同步第一合并单元、第二合并单元、第一信号处理模块和第二信号处理模块，实现各通道同步采样，提高误差检测精度。

Description

一种高压电能计量装置

技术领域

本实用新型涉及变电站计量技术领域，尤其涉及一种高压电能计量装置。

背景技术

随着变电站自动化和网络通信技术的飞速发展，IEC61850标准体系的颁布和推行，传统的变电站已逐步向数字化变电站过渡。数字化变电站电能量技术在采集上实现了模拟量向全数字化后，通过光纤线路传输的转变，通过点对点或以太网方式传输到数字式电能表，为数字化变电站内电能计量系统提供了数据来源，构成数字化变电站电能计量系统。

然而，由于电压互感器、电流互感器的误差、合并单元的转换误差、传输过程的误码引起怕误差以及数字式电能表计算误差等等环节的存在，数字化变电站内电能计量系统会产生一定的系统误差，因此需要对数字化变电站的电能误差进行校准。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种高压电能计量装置，可以基于电压互感器、电流互感器的误差、合并单元的转换误差对数字化变电站电能误差进行校准。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种高压电能计量装置，其包括三相电压互感器、三相电流互感器、第一合并单元、第二合并单元和FPGA芯片，还包括标准电压互感器、标准电流互感器、第一信号处理模块和第二信号处理模块；

三相电压互感器的一次侧以及标准电压互感器的一次侧连接至电网上的高电压侧，标准电压互感器二次侧输出的模拟信号经第一信号处理模块转换为数字信号，并将该数字信号输出至FPGA芯片的第一数字输入端；同时三相电压互感器二次侧输出模拟信号至第一合并单元，第一合并单元将该模拟信号转换为数字信号，并输出符合IEC61850-9-2标准的数据帧至FPGA芯片的第二数字输入端，FPGA芯片对三相电压互感器以及标准电压互感器输出数据进行误差计算；

三相电流互感器的一次侧以及标准电流互感器的一次侧连接至电网上的大电流侧，标准电流互感器二次侧输出的模拟信号经第二信号处理模块转换为数字信号，并将该数字信号输出至FPGA芯片的第三数字输入端；同时三相电流互感器二次侧输出模拟信号至第二合并单元，第二合并单元将该模拟信号转换为数字信号，并输出符合IEC61850-9-2标准的数据帧至FPGA芯片的第四数字输入端，FPGA芯片对三相电流互感器以及标准电流互感器输出数据进行误差计算。

在以上技术方案的基础上，优选的，第一信号处理模块包括顺次连接的第一电阻分压电路、第一阻抗匹配电路、第一增益调节电路、第一差分放大电路、第一差分滤波电路和第一A/D转换器；

标准电流互感器二次侧输出的模拟信号经顺次连接的第一电阻分压电路、第一阻抗匹配电路、第一增益调节电路、第一差分放大电路、第一差分滤波电路和第一A/D转换器与FPGA芯片的第一数字输入端电性连接。

进一步优选的，第二信号处理模块包括顺次连接的第二电阻分压电路、第二阻抗匹配电路、第二增益调节电路、第二差分放大电路、第二差分滤波电路和第二A/D转换器；

标准电流互感器二次侧输出的模拟信号经顺次连接的第二电阻分压电路、第二阻抗匹配电路、第二增益调节电路、第二差分放大电路、第二差分滤波电路和第二A/D转换器与FPGA芯片的第三数字输入端电性连接。

进一步优选的，还包括GPS接收模块；

GPS接收模块接收外部GPS授时信号，并输出PPS秒脉冲信号和UART授时定位信号至FPGA芯片，FPGA芯片抓取PPS秒脉冲信号并通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第一合并单元和第一A/D转换器，实现第一合并单元和第一A/D转换器同步采样。

进一步优选的，FPGA芯片还通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第二合并单元和第二A/D转换器，实现第二合并单元和第二A/D转换器步采样。

进一步优选的，FPGA芯片还通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第一合并单元和第二合并单元，实现第一合并单元和第二合并单元同步采样。

进一步优选的，还包括光电转换器和电光转换器；

外部脉冲触发的光脉冲通过光电转换器转换为电脉冲信号，并将该电脉冲信号输出至FPGA芯片，FPGA芯片根据该电脉冲信号生成两路触发信号，该触发信号通过电光转换器转换为光脉冲信号并分别输出至第一合并单元和第二合并单元。

本实用新型的一种高压电能计量装置相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过设置标准电压互感器和标准电流互感器，为三相电压互感器和三相电流互感器检测信号提供标准信号，通过计算三相电压互感器和三相电流互感器检测信号与标准信号的比差和角差，进而得出三相电压互感器和三相电流互感器的误差，提高系统测量精度；

(2)通过设置GPS接收模块用于同步第一合并单元、第二合并单元、第一信号处理模块和第二信号处理模块，实现各通道同步采样，提高误差检测精度；

(3)通过设置光电转换器提供一种外部其他设备的秒脉冲输出或同步时钟源的触发模式，在GPS接收模块损坏或者不工作时，提供备用同步模块，保证系统的可靠性；

(4)通过在第一信号处理模块和第二信号处理模块中设置第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路，可以实现阻抗匹配，降低传输线上反射波得出现频率，提高传输效率；

(5)通过在第一信号处理模块和第二信号处理模块中设置第一差分滤波电路和第二差分滤波电路，可以滤除信号中参杂的共模干扰以及各种各次谐波，以提高信号的检测精度；

(6)通过设置第一A/D转换器和第二A/D转换器的采样频率受FPGA芯片输出的PPS秒脉冲信号控制，目的在于实现第一A/D转换器和第二A/D转换器的同步采样，通过将FPGA芯片输出的PPS秒脉冲信号分别输出至第一合并单元、第二合并单元、第一A/D转换器和第二A/D转换器，可以实现各通道同步采样，保证采样精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种高压电能计量装置的结构图；

图2为本实用新型一种高压电能计量装置中第一信号处理模块、第二信号处理模块的结构图；

图3为本实用新型一种高压电能计量装置中第一阻抗匹配电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实用新型的一种高压电能计量装置，三相电压互感器、标准电压互感器、三相电流互感器、标准电流互感器、第一信号处理模块、第二信号处理模块、第一合并单元、第二合并单元、GPS接收模块、光电转换器、电光转换器和FPGA芯片。

三相电压互感器，将电网一次侧高电压转换为低电压，并传递给其二次侧，由二次侧测量仪表进行计量。三相电流互感器，将电网一次侧大电流转换为小电流，并传递给其二次侧，由二次侧测量仪表进行计量。由于三相电压互感器和三相电流互感器必须保证一定的精确度，这样二次侧测量仪表才能得到准确无误的驱动。然而，现有针对互感器的误差状态监测及评估技术的研究主要还是离线定期检修或短期在线校验，并不能实现长期的在线监测及评估。因此为解决上述问题，本实施例中，采用了标准电压互感器和三相电压互感器组成差值回路，通过测量该差值回路之间的差压信号测量误差；采用了标准电流互感器和三相电流互感器组成差值回路，通过测量该差值回路之间的差压信号测量误差。由于测量三相电压互感器误差原理与测量三相电流互感器原理相同，因此，在此只介绍测量三相电压互感器误差原理。

标准电压互感器，将标准电压互感器的二次侧输出信号转换成FPGA芯片所需的标准输入信号，该标准输入信号引起的测量误差不大于被检三相电压互感器误差限值的1/10。优选的，本实施例中，选用测量精度为0.02级的电磁式互感作为标准电压互感器。

标准电流互感器，将标准电流互感器的二次侧输出信号转换成FPGA芯片所需的标准输入信号，该标准输入信号引起的测量误差不大于被检三相电流互感器误差限值的1/10。

第一信号处理模块，对标准电压互感器二次侧输出电压进行预处理，目的是使待测信号能够得到更准确、有效的转换；第二信号处理模块，对标准电流互感器二次侧输出电压进行预处理，目的是使待测信号能够得到更准确、有效的转换。

第一合并单元，对三相电压互感器二次侧输出电压进行时间相干组合并将其转换为数字信号，将数字信号打包成IEC61850-9-2标准的数据帧输出给FPGA芯片；第二合并单元，对三相电流互感器二次侧输出电压进行时间相干组合并将其转换为数字信号，将数字信号打包成IEC61850-9-2标准的数据帧并输出给FPGA芯片。可以采用现有技术实现，在此不再累述。

GPS接收模块，提供GPS导航PPS信号触发模式，接收外部GPS授时信号，并输出PPS秒脉冲信号和UART授时定位信号至FPGA芯片，FPGA芯片抓取PPS秒脉冲信号并通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号。

光电转换器，提供一种外部其他设备的秒脉冲输出或同步时钟源的触发模式；外部脉冲触发的光脉冲通过光电转换器转换为电脉冲信号，并将该电脉冲信号输出至FPGA芯片，FPGA芯片根据该电脉冲信号生成两路触发信号，该触发信号通过电光转换器转换为光脉冲信号并分别输出至第一合并单元和第二合并单元，实现第一合并单元和第二合并单元的合并处理。

FPGA芯片，用于接收三相电压互感器、标准电压互感器、三相电流互感器和标准电流互感器二次侧输出信号，并计算出每个通道的比差和角差，进而得出三相电压互感器和三相电流互感器的误差；接收GPS接收模块输出的PPS秒脉冲信号和UART授时定位信号，并通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第一合并单元、第二合并单元、第一信号处理模块和第二信号处理模块，实现各通道同步采样。

本实施例的工作原理为：三相电压互感器将电网一次侧高电压转换为低电压，并传递给其二次侧，第一合并单元接收该低电压，同时，三相电流互感器将电网一次侧大电流转换为小电流，并传递给其二次侧，第二合并单元接收该小电流信号，GPS接收模块接收外部GPS授时信号，并输出PPS秒脉冲信号和UART授时定位信号至FPGA芯片，FPGA芯片抓取PPS秒脉冲信号并通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第一合并单元和第二合并单元，第一合并单元和第二合并单元同步采样；另外，标准电压互感器将其二次侧输出信号转换成FPGA芯片所需的标准输入信号，标准电流互感器将其二次侧输出信号转换成FPGA芯片所需的标准输入信号，FPGA芯片接收三相电压互感器、标准电压互感器、三相电流互感器和标准电流互感器二次侧输出信号，并计算出每个通道的比差和角差，进而得出三相电压互感器和三相电流互感器的误差。

本实施例的有益效果为：通过设置标准电压互感器和标准电流互感器，为三相电压互感器和三相电流互感器检测信号提供标准信号，通过计算三相电压互感器和三相电流互感器检测信号与标准信号的比差和角差，进而得出三相电压互感器和三相电流互感器的误差，提高系统测量精度；

通过设置GPS接收模块用于同步第一合并单元、第二合并单元、第一信号处理模块和第二信号处理模块，实现各通道同步采样，提高误差检测精度；

通过设置光电转换器提供一种外部其他设备的秒脉冲输出或同步时钟源的触发模式，在GPS接收模块损坏或者不工作时，提供备用同步模块，保证系统的可靠性。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例中，由于标准电压互感器输出的标准信号为100V，标准电流互感器输出的标准信号为4A，为了便于第一信号处理模块和第二信号处理模块进行预处理，因此，需要对标准电压互感器和标准电流互感器输出信号进行处理，使其输入到FPGA芯片的信号电压为2.5V。

如图2所示，第一信号处理模块包括顺次连接的第一电阻分压电路、第一阻抗匹配电路、第一增益调节电路、第一差分放大电路、第一差分滤波电路和第一A/D转换器；第二信号处理模块包括顺次连接的第二电阻分压电路、第二阻抗匹配电路、第二增益调节电路、第二差分放大电路、第二差分滤波电路和第二A/D转换器。由于第一信号处理模块处理原理与第二信号处理模块处理原理相同，因此，在此只介绍第一信号处理模块的结构和工作原理。

第一电阻分压电路，采用精密电阻对标准电压互感器输出的100V标准信号进行电阻分压，得到2.5V电压信号。

第一阻抗匹配电路，由于电网上杂波干扰并且还存在各种高次谐波，在阻抗失配的情况下，还存在射波和应射波，为了防止电网上的干扰信号与有用信号发生串扰，本实施例中设置了第一阻抗匹配电路实现阻抗匹配，降低传输线上反射波得出现频率，提高传输效率。优选的，选用如图3所示的电路结构，其中，电阻R19、电阻R18、电容C6和运放LM358构成了电压跟随器，用于提高电路的带载能力以及传输效率；电容C7和电容C8构成了电容隔离电路，用于滤除电网中的各种高次谐波、射波和应射波，提高系统的信噪比；电阻R20的阻值为50Ω，用于实现传输线的阻抗匹配。其中，Vin表示输入第一阻抗匹配电路的电压信号，Vout表示第一阻抗匹配电路的输出电压。

第一增益调节电路，用于放大第一阻抗匹配电路输出的信号。属于本领域的公知常识，在此不再累述。

第一差分滤波电路，滤除信号中参杂的共模干扰以及各种各次谐波，以提高信号的检测精度。

第一A/D转换器，将第一差分滤波电路输出的模拟信号转换为FPGA芯片可以处理的数字信号。其中，第一A/D转换器和第二A/D转换器的采样频率受FPGA芯片输出的PPS秒脉冲信号控制，目的在于实现第一A/D转换器和第二A/D转换器的同步采样，通过将FPGA芯片输出的PPS秒脉冲信号分别输出至第一合并单元、第二合并单元、第一A/D转换器的时钟信号端和第二A/D转换器的时钟信号端，可以实现各通道同步采样，保证采样精度。

本实施例的工作原理为：标准电压互感器二次侧输出电压首先经过第一电阻分压电路对标准电压互感器输出的100V标准信号进行电阻分压，得到2.5V电压信号，该2.5V电压信号经过第一阻抗匹配电路实现阻抗匹配后输入至第一增益调节电路调节信号增益，使其满足第一A/D转换器输入引脚电压要求，第一差分滤波电路滤除第一增益调节电路输出信号中的共模干扰和高次谐波，并输入至第一A/D转换器，第一A/D转换器将输入的模拟信号转换为电压信号，并输入至FPGA芯片。

本实施例的有益效果为：通过在第一信号处理模块和第二信号处理模块中设置第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路，可以实现阻抗匹配，降低传输线上反射波得出现频率，提高传输效率；

通过在第一信号处理模块和第二信号处理模块中设置第一差分滤波电路和第二差分滤波电路，可以滤除信号中参杂的共模干扰以及各种各次谐波，以提高信号的检测精度；

通过设置第一A/D转换器和第二A/D转换器的采样频率受FPGA芯片输出的PPS秒脉冲信号控制，目的在于实现第一A/D转换器和第二A/D转换器的同步采样，通过将FPGA芯片输出的PPS秒脉冲信号分别输出至第一合并单元、第二合并单元、第一A/D转换器和第二A/D转换器，可以实现各通道同步采样，保证采样精度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压电能计量装置，其包括三相电压互感器、三相电流互感器、第一合并单元、第二合并单元和FPGA芯片，其特征在于：还包括标准电压互感器、标准电流互感器、第一信号处理模块和第二信号处理模块；

所述三相电压互感器的一次侧以及标准电压互感器的一次侧连接至电网上的高电压侧，标准电压互感器二次侧输出的模拟信号经第一信号处理模块转换为数字信号，并将该数字信号输出至FPGA芯片的第一数字输入端；同时三相电压互感器二次侧输出模拟信号至第一合并单元，第一合并单元将该模拟信号转换为数字信号，并输出符合IEC61850-9-2标准的数据帧至FPGA芯片的第二数字输入端，FPGA芯片对三相电压互感器以及标准电压互感器输出数据进行误差计算；

所述三相电流互感器的一次侧以及标准电流互感器的一次侧连接至电网上的大电流侧，标准电流互感器二次侧输出的模拟信号经第二信号处理模块转换为数字信号，并将该数字信号输出至FPGA芯片的第三数字输入端；同时三相电流互感器二次侧输出模拟信号至第二合并单元，第二合并单元将该模拟信号转换为数字信号，并输出符合IEC61850-9-2标准的数据帧至FPGA芯片的第四数字输入端，FPGA芯片对三相电流互感器以及标准电流互感器输出数据进行误差计算。

2.如权利要求1所述的一种高压电能计量装置，其特征在于：所述第一信号处理模块包括顺次连接的第一电阻分压电路、第一阻抗匹配电路、第一增益调节电路、第一差分放大电路、第一差分滤波电路和第一A/D转换器；

所述标准电流互感器二次侧输出的模拟信号经顺次连接的第一电阻分压电路、第一阻抗匹配电路、第一增益调节电路、第一差分放大电路、第一差分滤波电路和第一A/D转换器与FPGA芯片的第一数字输入端电性连接。

3.如权利要求2所述的一种高压电能计量装置，其特征在于：所述第二信号处理模块包括顺次连接的第二电阻分压电路、第二阻抗匹配电路、第二增益调节电路、第二差分放大电路、第二差分滤波电路和第二A/D转换器；

所述标准电流互感器二次侧输出的模拟信号经顺次连接的第二电阻分压电路、第二阻抗匹配电路、第二增益调节电路、第二差分放大电路、第二差分滤波电路和第二A/D转换器与FPGA芯片的第三数字输入端电性连接。

4.如权利要求3所述的一种高压电能计量装置，其特征在于：还包括GPS接收模块；

所述GPS接收模块接收外部GPS授时信号，并输出PPS秒脉冲信号和UART授时定位信号至FPGA芯片，FPGA芯片抓取PPS秒脉冲信号并通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第一合并单元和第一A/D转换器，实现第一合并单元和第一A/D转换器同步采样。

5.如权利要求4所述的一种高压电能计量装置，其特征在于：所述FPGA芯片还通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第二合并单元和第二A/D转换器，实现第二合并单元和第二A/D转换器步采样。

6.如权利要求4所述的一种高压电能计量装置，其特征在于：所述FPGA芯片还通过其I/O口输出PPS秒脉冲信号至第一合并单元和第二合并单元，实现第一合并单元和第二合并单元同步采样。

7.如权利要求6所述的一种高压电能计量装置，其特征在于：还包括光电转换器和电光转换器；

外部脉冲触发的光脉冲通过光电转换器转换为电脉冲信号，并将该电脉冲信号输出至FPGA芯片，FPGA芯片根据该电脉冲信号生成两路触发信号，该触发信号通过电光转换器转换为光脉冲信号并分别输出至第一合并单元和第二合并单元。

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