专利名称：高压直接计量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电力计量装置，特别涉及的是一种设置于高压线路上， 能直接计量电能值的计量装置。
背景技术：
高压电路传输是现在惯用的一种远距离电力传输手段，同时也是一些高压用 电行业赖以生存的生命线，对于高压电力计量也是现在用电管理最重要的組成部 分之一，
目前用于供应电量的10kV和35kV配电变压器的高压侧使用IOkV和35kV 高压电能计量装置。结构上分为安装在户内的高压计量拒和安装在户外的高压电 力计量箱。它们由跨接在A-B和C-B相间的二台电压互感器和串接在A、 C相的二台电流互感器以及一台三相\二元件电能表组成。电能计量误差由电流、 电压互感器的变比误差、二次引线压降以及电能表测量误差参照JJF 1 059- 1999 "测量不确定度评定与表示"进行评估，不能用准确度等级表示，这样就容易发生 人为选择正误差或负误差互感器的可能，影响计量的公正性。目前我国对高压互 感器的绝缘要求10kV电力系统为42kV , 35kV为95kV， 二次额定负荷要求有 10VA ,因此高压电能计量装置的体积和重量都相当大，价格也高，运行中耗能 大，需要有比较大的安装空间。电磁式电压互感器在运行中还容易发生铁磁谐振 事故，不利于电网安全。互感器和电能表的连接处更是防窃电的薄弱环节。
为了克服现有IOkV和35kV高压电能计量装置体积大，分量重，造价高， 耗电多，存在安全隐患的缺点，增强计费公正性和防窃电能力，本发明创作者为 此进行了广泛的研究和实验终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高压直接计量装置，用以克服上述缺陷。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，提供一种高压直接计量装置，其包括
一电压采集单元，其从所述的电力线路上获取实时的电压信号并转为第一电 压取样信号；
一电流采集单元，其从所述的电力线路上获取实时的电流信号并转为第二电 压取样信号；
一电压/频率转换单元，其将所述的第一电压取样信号以及所述的第二电压取 样信号分别转换为与各自对应的第一频率信号以及第二频率信号输出；
一计量处理单元，其将所述的第一频率信号以及第二频率信号分别转换为对 应的实时的电压值和电流值，经过乘法和积分处理转换为电能值；
较佳的，所述的电压采集单元包括 一电压采样組件，其从所述的电力线上 采集到实时的电压信号；
一电压信号处理电路，其将所述的实时的电压信号进行整流转换为直流的第 一电压取样信号；
以及电源电路，其将所述的电压进行稳压、滤波转换成电源电压输出； 较佳的，所述的电压釆样组件为机械结构组件，其包括 一导电采样件，获取电力线上实时的电压信号，其通过直接接触金属电力线 或透过绝缘皮接触电力线芯，获取电力线上实时的电压信号；
采样固定件，使所述的导电采样件与所述的电力线连接位置关系稳固； 较佳的，当所述的电力线具有绝缘皮时，所迷的导电采样件为针齿状结构， 其刺入所述的电力线与电力线芯接触；
较佳的，所述的电压信号处理电路包括 一第一电压电路，其对所述的实时 的电压信号进行处理产生所述的第一电压取样信号，其包括 一第一电阻、 一与 之串联的第一稳压管， 一与所述的第一电阻并联的整流桥，其中所述的第一电阻 的两端获得的即为所述的实时的电压信号，所述的整流桥输出所述的第一电压取 样信号；
较佳的，所述的电压采集单元包括 一电压互感器；
一整流电路，其将所述的电压互感器获得的实时的电压信号进行整流转换为 直流第一电压取样信号；
以及电源电路，其将所述的第一电压取样信号进行稳压、滤波转换成电源电 压输出；较佳的，所述的电流采集单元包括 一电流互感器；
以及一整流取样电路，将所述的电流互感器获得的电流值转换为 一直流第二
电压取样信号；
较佳的，所述的电源电路包括 一第四电阻，其与所述的整流桥串联用以降
压；
一并联的第二稳压管、第 一电容和第二电容用以进行稳压、滤波形成稳定的 电源输出；
较佳的，所述的电压/频率转换单元包括
一积分电路，其对所述的第 一 电压取样信号以及所述的第二电压取样信号的 电压值进行积分处理分别转换为与所述的电压值成正比的第 一 电流值和第二电流 值；
一电压/频率转换电路，其接收所述的电流信号并输出与所述的电压值成正比 的所述第一频率信号和第二频率信号； 较佳的，所迷的积分电路包括
一第一积分器，其反相输入端获得所述的第一电压取样信号，所述的电源电 路为其提供工作电压；
一第二积分器，其反相输入端获得所述的第二电压取样信号，所述的电源电
路为其提供工作电压； 较佳的，还包括
一并联的第五电阻和第三电容，其一并联端分别与所述的第一积分器和第二 积分器的同相输入端相连接，另一端接地；
一串联的第四电容、第一二极管作为反馈防止所述的第一积分器输出发生信 号漂移；
以及一串联的第五电容和第二二级管作为反馈防止所述的第二积分器输出发 生信号漂移，其中所述的第一二极管与所述的第二二级管的阳极串联并接地；所 述的第一二极管和第四电容连接点与所述的第一积分器输出端相连，所述的第二 二极管和第五电容连接点与所述的第二积分器输出端相连；
较佳的，所述的电压/频率转换电路包括 一电压/频率转换芯片，其输入端用 以获得所述的电流信号，所述的电源电路为其提供工作电压；
一基准电压生成电路，其包括 一第一三极管，其集电极与所述的电源电路相连，其基极与所述的电压/频率转换芯片基准电压输出端相连； 一串联的第六电 阻和第七电阻，其一端和所述的第一三极管的基极相连，另一端接地，其串联点 与所述的第一三极管的发射极相连；
较佳的，所述的计量处理单元为一微处理器，内置有处理程序，其接收由所 述的电压/频率转换芯片传输的所述的第一频率信号以及第二频率信号，根据比例 转化为对应的电力线上实时电压值和实时的电流值，通过乘法运算转换为实时的 功率值，再通过积分运算转换为某一指定时间段的电能值；
较佳的，还包括 一存储电路，其与所述的微处理器相连接； 较佳的，还包括 一显示电路，其与所述的微处理器相连接； 较佳的，还包括 一通信单元，其与所述的微处理器相连接，将所述的电能 值通过无线或有线的方式传输给指定的接收装置；
与现有技术比较本发明的有益效果在于， 一方面，通过电压直接计量，减小 了由于全部互感计量带来的较大误差；另一方面采用了频率转换原理计量装置的 体积小了，抗干扰能力增强了，同时便于安装和其它功能的扩展。
图1为本发明高压直接计量装置的总体功能机构简图2A为本发明高压直接计量装置实施例一功能机构简图2B为本发明高压直接计量装置中电压采样组件的机械结构放大图3为本发明高压直接计量装置实施例二的功能机构简图4为本发明高压直接计量装置一较佳实施例的电路示意图5为本发明高压直接计量装置另一较佳实施例的电路示意图。
具体实施例方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 请参阅图l所示，其为本发明高压直接计量装置的总体功能机构简图；其包
括
一电压釆集单元1,其从所迷的电力线路上获取实时的电压信号并转为第一电 压取样信号； 一电流采集单元2,其从所述的电力线路上获取实时的电流信号并 转为与所述的电流值相对应的第二电压取样信号；所述的电压采集单元i以及电
8流采集单元2分别与一电压/频率转换单元3相连接，所述的电压/频率转换单元3 接收所述的第 一电压取样信号以及所述的第二电压取样信号，并分别转换为与各 自对应的第一频率信号以及第二频率信号输出； '
还包括 一计量处理单元4，其与所述的电压/频率转换单元3相连接，将所述 的第 一频率信号以及第二频率信号分别转换为对应的实时的电压值和电流值，经 过乘法和根据时间进行积分处理转换为在一指定时间段内的电能值，从而实现从 高压端的直接计量，获得用电的电能值的目的。
以下根据上述的总体功能机构简图的设计思想，公开如下两个实施例，用以 对上述内容进行支持。
请参阅图2A所示，其为本发明高压直接计量装置实施例 一的功能机构简图； 所述的电压采集单元包括 一电压采样组件ll，其从所述的电力线0上直接采集 到实时的电压信号；所述的电压采样组件11为机械结构组件，请结合图2B所示， 其为本发明高压直接计量装置中电压采样组件11的机械结构放大图；其包括一 导电采样件113，获取电力线上实时的电压信号，其通过直接接触金属电力线0 或透过绝缘皮01接触电力线芯02，获取电力线0上实时的电压信号；同时还需 要一采样固定件，其使所述的导电采样件113与所述的电力线0连接位置关系稳 固；当所述的电力线具有绝缘皮Ol时，所述的导电采样件113为针齿状结构，其 刺入所述的电力线0与电力线芯02接触；所述的采样固定件为一螺栓111和一压 线块112,通过所述的螺栓111的旋紧使压线块112压迫在所述的电力线0上， 则针齿状结构的导电采样件U3的尖端与所述的电力线芯02相接触，由于整个"新 型电压互感器，，请参见本申请人申请的前序专利(申请号200810046623.7)的 存在，自然这种取电连接是很紧密的。
所述的电压采样组件11与一电压信号处理电路12相连接，所述的电压信号 处理电路12将所迷的实时的电压信号进行整流转换为直流的第一电压取样信号； 以及一电源电路13,其与所述的电压信号处理电路12相连接，其将所述的电压 进行稳压、滤波转换成电源电压输出，这种电压输出一方面为本发明中的用电器 件提供电力，另一方面也为一些需要基准电压的元件提供了电压基准。
所述的电流采集单元2包括 一电流互感器21，其套设在所述的电力线O、 (相线)上，所述的电流互感器21为现有产品，其包括:电磁式电流互感器以及 电子式电流互感器，通过一次侧和二次侧线圏的耦合，获得与所述的电力线o上电流相对应的一个电流值；还包括 一整流取样电路22，其与所述的电流互感器 21相连接，将所述的电流互感器21获得的电流值转换为一直流的第二电压取样 信号输出，所述的第二电压取样信号的电压值与所述的电流互感器21 二次侧的电 流值相对应，同时也就与所述的电力线0上的电流值相对应存在比例关系，之所 以把电流值通过转换变成第二电压取样信号是为了后序的电压处理转换具有一致 性。
所述的电压/频率转换单元3包括 一积分电路31，其与所述的电压采集单元 1的电压信号转换电路12以及所述的电流信号转换单元2的整流取样电路22相 连接，所述的积分电路31对所述的第一电压取样信号以及所述的第二电压取样信 号的电压值进行积分处理分别转换为与所述的电压值成正比的第一电流值和第二 电流值输出，同时所述的电源电路13为其提供工作电力以及基准电压；本单元还 包括 一电压/频率转换电路32，其与所述的积分电路31的输出端相连接，并接 收所述的第 一电流值和第二电流值，从而输出与所述的电压值成正比的所述第一 频率信号和第二频率信号，同时所述的电源电路13为其提供工作电力以及基准电
压；
最后，由于本发明的目的在于，对电力线上的电力进行电能计量，则需要进 行整合电流、电压数据，最终获取电能值的所述计量处理单元4,其可以为一微 处理器41或嵌入式系统等任何可以设置内部处理程序的数据处理器，这里不再对 其种类进行赘迷，所述的微处理器41接收由所述的电压/频率转换电路32传输的 所述的第一频率信号以及第二频率信号，根据比例转化为对应的电力线0上实时 电压值和实时的电流值，通过乘法运算转换为实时的功率值，再通过对时间进行 积分运算转换为某一指定时间段的电能值；为了增加技术方案的完整性，本发明 还包括 一存储电路44，其与所述的微处理器41相连接，用以存储电能值，还 存储微处理器41所设置的一些预设的存储功能要求对应的数据信息，如查询日 志；还可以包括 一显示电路42，其与所述的微处理器41相连接，将电能值等 需要查询的数据显示出来，所述的显示电路42包括显示器和驱动电路(图中未 示)；为了适合远程控制和远程的数据查询，所述计量处理单元4还可以包括 一通信单元43，其与所述的微处理器41相连接，将所述的电能值通过无线或有 线的方式传输给指定的接收装置，例如这种传输方式可以采用GPRS、 CDMA或 者载波的方式进行远程通信传输。
10为了减少对现有的高压电能计量设备的改造，从而有利于减少成本，本发明
也可以与现有的电压采集设备结合进行应用，请参阅图3所示，其为本发明高压 直接计量装置实施例二的功能机构简图；其与上一实施例的差别，也就是用现有 的电压互感器ir来替代上述的电压采集单元i中的电压采样组件ii，所述的电
压互感器ll，可以为电磁式电压互感器(VT)和电容式电压互感器(CVT),其二次侧
获得与电力线o与零线(地)之间实时电压相对应的电压值(存在比例系数)， 所述的电压还感器ir与一电压信号处理电路12相连接，所述的电压信号处理电 路12将所述的实时的电压信号进行整流转换为直流的第 一 电压取样信号。
上面介绍的两种功能结构简图是本发明的两个具体实施例，以下将公开两种 与上述功能框图实施例相对应的电路图，作为电路图其仅是针对功能框图获得的 两种具体的电路结构，但是仍然可以做出许多等效变换，无论是连接关系以及元 件的组成都不应该作为对本发明权利要求书要求保护范围的限定。
请参阅图4所示，其为本发明高压直接计量装置一较佳实施例的电路示意图； 所述的电压信号处理电路包括 一第一电压电路，其对所述的实时的电压信号进 行处理产生一第一电压，其包括 一第一电阻R1、 一与之串联的第一稳压管DW, 一与所述的第一电阻R1并联的整流桥D1-D4，其中所述的第一电阻R1的两端获 得的即为所述的实时的电压信号，所述的整流桥D1-D4负极输出第一电压取样信 号；所述的电源电路包括 一第四电阻R12,其与所述的整流桥Dl-D4的负极串 联用以降压；
一相互并联的第二稳压管DW1、第一电容C1和第二电容C2用以进行稳压、 滤波形成稳定的电源输出；
所述的整流取样电路为在所述的电流互感器CT的二次侧一端连接有一二 极管D7，在所述的二极管D7的正极和负极分别连接有一电阻R17和电容R9, 所述的电阻Rl7和电容R9的另 一端以及所述的电流互感器CT 二次侧的另 一端接 地；
所述的积分电路IC1包括 一第一积分器，其反相输入端通过一电阻R2与 所述的整流桥D1-D4的负极相连接，获得所述的第一电压取样信号，所述的电源 电路的输出端与所述的积分电路IC1的VCC端相连接，为其提供工作电压；
一第二积分器，其反相输入端通过电阻R19与所述的整流取样电路的输出端 相连接，获得所述的第二电压取样信号；还包括 一延时电路，所述的延时电路
11包括一对并联的第五电阻R3和第三电容C4，其一并联端与所述的第一积分器和 所述的第二积分器的同相端连接，其另 一并联端接地。
还包括 一反馈电路，其包括 一串联的第四电容C3、第一二极管D5作为 反馈防止所述的第一积分器输出发生信号漂移；
以及一 串联的第五电容C6和第二二级管D6作为反^t赍防止所述的第二积分器 输出发生信号漂移，其中所述的第一二极管D5与所述的第二二级管D6的阳极串 联并接地；所述的第一二极管D5和第四电容C3连接点与所述的第一积分器输出 端相连，所述的第二二极管D6和第五电容C6连接点与所述的第二积分器输出端 相连；
所迷的电压/频率转换电路32包括 一电压/频率转换芯片IC2,其具有至少 两个输入端INPUTl, INPUT2,通过电阻R4、 Rll分别与所述的第一积分器的输 出端和第二积分器的输出端相连接，用以获得所述的第一电流信号和第二电流信 号，所述的电源电路为其提供工作电压；
还包括 一基准电压生成电路，其包括 一第一三极管Q,其集电极与所述 的电源电路相连，其基极与所述的电压/频率转换芯片IC2基准电压输出端 CUAREN相连； 一 串联的第六电阻R16和第七电阻R14,其一端和所述的第一三 极管Q的基极相连，另一端接地，其串联点与所述的第一三极管Q的发射极相连。
所述的微处理器MCU的两个信号输入端与所述的电压/频率转换电路32的 两个输出端相连接，所述的微处理内置有处理程序，首先其根据获得的频率值转 换为对应的电力线上实时电压值以及实时的电流值，通过乘运算获得对应的瞬时 的功率值，通过时间上的累加或对时间进行积分，则最终得到相应的电能值。对 于本领域技术人员而言这种程序的设置是可以根据需要编写实现的，并下载到所 述的微处理器MCU中，同时为了对于数据进行管理，并且防止本发明在没有电 力供应或是出现故障而不能获取电能值时，造成数椐丢失的问题，则将所迷的微 处理器MCU获得的电能值存储在一存储电路44上，当然也可以根据用户需要， 用所述的存储电路44来存储本发明直接计量装置的日志性数据；
还可以包括一显示电路42，其与所述的微处理器MCU相连接，将电能值等 需要查询的数据显示出来，其包括显示器和驱动电路(图中未示)；所述的驱 动电路与所述的樣i处理器MCU相连接，所述的显示器与所述的驱动电路相连接， 为了适合远程控制和远程的数据查询，本发明还可以包括 一通信单元43,其与所述的微处理器MCU相连接，将所述的电能值通过无线或有线的方式传输给指 定的接收装置，例如可以采用GPRS、 CDMA或者载波的方式进行远程通信传输。
请参阅图5所示，其为本发明高压直接计量装置另一较佳实施例的电路示意 图；其与第二个功能结构框图相对应，而与上一电路实施例的差别在于，其釆用 的是电压互感器TA来代替所述的第一电压电路获取电压值。
综上，本发明的优点是， 一方面通过电压直接计量，减小了由于全部互感计 量带来的较大误差；另一方面采用了频率转换原理，从而使计量装置的体积小了， 抗干扰能力增强了，同时便于安装和其它功能的扩展。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限 制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其 进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种高压直接计量装置，其特征在于，其包括一电压采集单元，其从所述的电力线路上获取实时的电压信号并转为第一电压取样信号；一电流采集单元，其从所述的电力线路上获取实时的电流信号并转为第二电压取样信号；一电压/频率转换单元，其将所述的第一电压取样信号以及所述的第二电压取样信号分别转换为与各自对应的第一频率信号以及第二频率信号输出；一计量处理单元，其将所述的第一频率信号以及第二频率信号分别转换为对应的实时的电压值和电流值，经过乘法和积分处理转换为电能值。
2、 根据权利要求1所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电压采集 单元包括 一电压采样组件，其直接从所述的电力线上采集到实时的电压信号；一电压信号处理电路，其将所述的实时的电压信号进行整流转换为直流的第 一电压取样信号；以及电源电路，其将所述的电压进行稳压、滤波转换成电源电压输出。
3、 根据权利要求2所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电压采样 组件为机械结构组件，其包括一导电采样件，获取电力线上实时的电压信号，其通过直接接触金属电力线 或透过绝缘皮直接接触电力线芯，获取电力线上实时的电压信号；一采样固定件，使所述的导电采样件与所述的电力线连接位置关系稳固。
4、 根据权利要求3所述的高压直接计量装置，其特征在于当所述的电力线 具有绝缘皮时，所述的导电釆样件为针齿状结构，其刺入所述的电力线与电力线 芯接触。
5、 根据权利要求2所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电压信号 处理电路包括 一第一电压电路，其对所述的实时的电压信号进行处理产生所述 的第一电压取样信号，其包括 一第一电阻、 一与之串联的第一稳压管， 一与所 述的第一电阻并联的整流桥，其中所述的第一电阻的两端获得的即为所述的实时 的电压信号，所述的整流桥输出所述的第 一 电压取样信号。
6、 根据权利要求5或6所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电流 采集单元包括 一电流互感器；以及一整流取样电路，将所述的电流互感器获得的电流值转换为一直流的第 二电压取样信号。
7、 根据权利要求2或6.所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电源 电路包括 一第四电阻，其与所述的整流桥负极串联用以降压；一并联的第二稳压管、第 一 电容和第二电容用以进行稳压、滤波形成稳定的 电源输出。
8、 根据权利要求7所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电压/频 率转换单元包括一积分电路，其对所述的第 一 电压取样信号以及所述的第二电压取样信号的 电压值进行积分处理分别转换为与所述的电压值成正比的第 一 电流值和第二电流 值；一电压/频率转换电路，其接收所述的电流信号并输出与所述的电压值成正比 的所述第一频率信号和第二频率信号。
9、 根据权利要求8所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的积分电路 包括一第一积分器，其反相输入端获得所述的第一电压取样信号，所述的电源电 路为其提供工作电压；一第二积分器，其反相输入端获得所述的第二电压取样信号，所述的电源电路为其提供工作电压。
10、 根据权利要求9所述的高压直接计量装置，其特征在于还包括 一并联的第五电阻和第三电容，其一并联端分别与所述的第一积分器和第二积分器的同相输入端相连接，另一端接地；一串联的第四电容、第一二极管作为反馈防止所述的第一积分器输出发生信 号漂移；以及一串联的第五电容和第二二级管作为反馈防止所述的第二积分器输出发生信号漂移，其中所述的第一二极管与所述的第二二级管的阳极串联并接地；所 述的第一二极管和第四电容连接点与所述的第一积分器输出端相连，所述的第二二极管和第五电容连接点与所述的第二积分器输出端相连。
11、 根据权利要求8所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的电压/ 频率转换电路包括 一电压/频率转换芯片，其输入端用以获得所述的电流信号，所述的电源电路为其提供工作电压；一基准电压生成电路，其包括 一第一三极管，其集电极与所述的电源电路 相连，其基极与所述的电压/频率转换芯片基准电压输出端相连； 一串联的第六电 阻和第七电阻，其一端和所述的第一三极管的基极相连，另一端接地，其串联点 与所述的第一三极管的发射极相连。
12、 根据权利要求11所述的高压直接计量装置，其特征在于所述的计量处 理单元为一微处理器，内置有处理程序，其接收由所述的电压/频率转换芯片传输 的所述的第一频率信号以及第二频率信号，根据比例转化为对应的电力线上实时 电压值和实时的电流值，通过乘法运算转换为实时的功率值，再通过累加或积分 运算转换为某一指定时间段的电能但。
13、 根据权利要求12所述的高压直接计量装置，其特征在于还包括 一存 储电路，其与所述的微处理器相连接。
14、 根据权利要求13所述的高压直接计量装置，其特征在于还包括 一显 示电路，其与所述的微处理器相连接。
15、 根据权利要求13所述的高压直接计量装置，其特征在于还包括 一通 信单元，其与所述的微处理器相连接，将所述的电能值通过无线或有线的方式传 输给指定的接收装置。
全文摘要
本发明为一种高压直接计量装置，其包括一电压采集单元，其从所述的电力线路上获取实时的电压信号并转为第一电压取样信号；一电流采集单元，其从所述的电力线路上获取实时的电流信号并转为第二电压取样信号；一电压/频率转换单元，其将所述的第一电压取样信号以及所述的第二电压取样信号分别转换为与各自对应的第一频率信号以及第二频率信号输出；一计量处理单元，其将所述的第一频率信号以及第二频率信号分别转换为对应的实时的电压值和电流值，经过乘法和积分处理转换为电能值。
文档编号G01R21/133GK101487859SQ200810003358
公开日2009年7月22日 申请日期2008年1月15日 优先权日2008年1月15日
发明者万家盛, 汪志强 申请人:湖北盛佳电器设备有限公司;万家盛