专利名称：实时分段电力负荷计量方法
技术领域：
本发明涉及一种10kV 35kV三相配电电网的电力负荷计量方法。
背景技术：
目前的电力负荷计量方法，都是采用单变比互感器直接驱动普通或分段显示 电能表的计量方式。但是，即便是所谓的分段计量，也仅仅是按时间分段，并未 实现本质上的用电负荷量峰、谷分段计量，即在检测端就产生了误差，因而使得 分段及各段计量不准确，达不到高精度要求；同时，其整体性能差，维护难，防 窃电功能低下。因此，用户迫切要求采用能够按照实际的峰、谷负荷量实时分段， 进行精确计量的方法。目前，还没有发现对类似的方法提出，特别是还未发现按 负荷量额度实时分段检测、计量的研究文献。尤其是10 35kV输配电电网的高精 度均衡计量问题，至今还没有研究，尤其还没有涉及分段计量。本发明就是为了 解决这样的问题而提出的一种10kV 35kV输配电电网电力负荷全量程精度均衡 计量装置设计方案，即按负荷额度分段的电能计量方法。用电负荷信号由组合互 感器(电压互感器PT和电流互感器CT) 二次端子引出线至计量组件，经负荷额 度判断与切换控制，自动按负荷额度在从高到低的各档次负荷计量回路之间进行 切换，以保证从高到低各档次负荷的全量程均衡计量精度，降低了由于互感器超 负荷或低负荷运行时造成的检测误差增大而产生的计量线损和误差。
根据CT等效电路的相量图，折算到二次侧的等效一次负荷电流/r (=V"，
/i为一次负荷电流，"=/16//2。为CT的变比，/^和/2e分别为一次额定负荷电流
和二次额定电流)可近似为
7;=厶+7;m—，
其中，/2为CT的二次电流，/1M为CT的激磁电流，yS为/2相量对于/「相量的超 前角。而CT的电流误差 ，
当CT运行在一次负荷电k/!处于额定电流/ie附近时，误差力最小。 一次负
荷电流与额定值相差越大，误差就越大。 一个典型变比的CT在二次阻抗Z2=l Q ， ;6=0.8下的误差情况如附图3所示。由图可见若负荷电流在额定电流的120%以 内，负荷电流越大，误差越小；当用电处在轻负荷时，实际负荷电流将低于CT一 次额定电流的30%,特别当负荷电流低到额定电流值的20%及以下时，负比差力 随负载电流的降低超过允许值Jl而迅速增加。实验测试数据也表明该结果。
附图4是几个不同变比CT在同样二次负载下的误差情况，'图中AB是变比 为",，额定一次负荷电流为/u。,的CT误差曲线，CD是变比为"2，额定一次负 荷电流为/le"2的CT误差曲线，EF是变比为"3,额定一次负荷电流为/le 3的 CT误差曲线， 。由图可见，在变比 下，随着一次负荷电流A的降低，
负比差力将沿着曲线AB逐渐加大；当一次负荷电流/i在该变比下进一步降低，如达到B点(这时/^20。/。/ie^，误差加大到允许限度/=￡);如果/,在该变比下继续降低，误 差将不可接受。如果在B点改变变比为 (相应的额定一次负荷电流为/16 2)，使CT切换运 行到CD曲线上，将使误差/;大幅减小；同理，当一次负荷电流/,在"2变比下沿着曲线CD 降低到D点(这时/产20%/^2，误差又逐渐加大到允许限度/=￡)，再改变变比为A，使CT 切换运行到EF曲线上，将又一次使误差大幅减小；……。如此按负荷电流(即功率)的变 化，来转换CT的变比，保证CT的检测误差总是小于要求值。按负荷分段切换来实现电力计 量误差减小且均衡的思想，就是基于这一原理而提出的。
发明内容
为满足电网和用户单位的要求，克服现有计量方案的诸多缺陷，本发明提供 -种实现全
量程精度平衡，提高计量、显示精度的电力负荷实时分段计量方法。其总体方案是在检测 端就采取反映从高到低各档次负荷额度的各档次变比电流互感器分别在负荷功率的不同额度 下运行，即分段检测的模式，以实现全量程精度平衡，提高计量、显示精度；同时，根据负
荷功率的大小分段且循环显示有功能量、无功能量，按键显示瞬时有、无功功率、功率因数， 按键显示谐波、负功率、断相、调相、停电等异常情况记录等。
本发明要解决的技术问题是
三相电用电负荷量经电压互感器和多变比电流互感器转换，以相应的电压信号模拟量从 其二次端引出。其中相应于电流的各变比档次模拟量，均与电压信号模拟量一起，分别送入 相应当次变比计量处理通道。根据不同的负荷额度(各档段给定比率量)，切换选择不同的通 道,，通过一个电能计量芯片，将送入的相应模拟量转换成为相应的数字信号，然后经输出处 理，输出并存储、显示相应的数据。
1. 三相电用电负荷量经电压互感器和多变比电流互感器检测、转换，以相应的电压信号 模拟量从其二次端引入计量组件。其中，相应于各档次额度的负荷电流的检测，多变比电流 互感器的二次绕组制成多变比档次绕组，分别通过相应组的接线端子引出。从低到高变比接 线端子分别用来输出从低到高档段负荷电流计量信号。
2. 相应于负荷电流的各变比模拟量，各档次变比电流计量信号分别送入相应档段信号分 流处理通道；然后，经受控模拟开关切换，选通其一路，经相移、滤波、衰减处理通道，送 入专用计量芯片的电流信号输入端。相应于电压的模拟量通过电压计量信号滤波、衰减处理 通道，直接送入计量芯片的电压信号输入端。这些信号通过计量芯片，经高分辨率模数转换、 计算与滤波和DSP，将送入的相应模拟量转换成为相应的用电负荷计量数字信号，分别通过 单片机等模块处理，输出到各段用电负荷量显示、存储模块、报警器、计算机等数字终端执 行器件。
3. 利用单片机对计量芯片的负荷计量输出数据的处理，得到相应于瞬时功率(电流)信 号的数字量，该数字量再经单片机的功率比较处理，与相应于额定容量的各档段给定比率量 进行比较，送出切换控制信号，通过单片机送入模拟开关的控制端。当瞬时负荷功率(电流) 处于额定容量的相应档段给定比率量时，单片机控制模拟开关使相应档次变比电流信号通道 为接通，其它档次变比电流信号通道为阻断，电路将该变比电流信号送入计量芯片的电流输 入端；当负荷功率(电流)低于额定容量的相应档段给定比率量时，控制电平使模拟开关转 换，该档次变比电流信号通道阻断，低一档次变比电流信号通道接通，将低一档次变比电流 信号送入计量芯片的电流输入端；当负荷功率(电流)高于额定容量的相应档段给定比率量 时，控制电平使模拟开关转换，该档次变比电流信号通道阻断，高一档次变比电流信号通道 接通，将高一档次变比电流信号送入计量芯片的电流输入端。
4.同时，比较输出的切换控制电平使单片机执行相应的选通、控制、读、写、计算等操 作，以按不同负荷档次段，将计量芯片数字引脚输出的三相有、无功负荷计量数据，准确地 送入其存储模块的相应地址和显示模块，计算瞬时有、无功功率、功率因数，控制存储模块
4以多区分别保存各段有、无功用电负荷量，控制显示模块交替显示各段有、无功用电负荷量， 控制数据上传数据中心。通过不同按键及其配合，控制显示转换，随意选通所处段瞬时数据， 如有、无功功率、功率因数及其时间；控制中断，刷新存储各段当前(本月)数据，并显示 各段上次(上月)数据及各档段当前(本月)数据与上次(上月)数据之差量；控制转换、 选通显示谐波、负功率、失压、断相、调相、断电等异常情况记录。
本发明的有益效果是适应了当前电网运行的情况，满足了用户的要求，实现了供电的 安全、可靠、电能实时分段计量的精确、均衡。采用的多变比电流互感器使得电能计量始终 运行在其最佳运行区间，从而降低了由于其超负荷或低负荷运行时造成的计量误差及计量线 损，在超低负荷电流时，也能保证0.28级计量精度，最大限度降低了超低负荷时造成的计量 误差。
下面结合附图所示的实施例对本发明进一步说明。
附图l是本发明的系统结构框图，附图2是所述实施例的A相负荷电流信号处理电路图。 附图l中PT.电压互感器，CT.电流互感器，A.Si (tl， 2,...， n).各变比电流衰减分 流电阻，F.A丄电流衰减滤波阻容网络，F.A.V.电压衰减滤波阻容网络，SS.多路模拟开关， LMP.用电负荷计量芯片，MCU.单片机芯片，M.铁电存储芯片，LCD.液晶显示器，COM. 通讯模块，PS.工作电源，K!.时间与瞬时值显示键，K2.当前(本月)数据存储键，Ko.上次 (上月)数据显示键。
附图2中SS为该相多路模拟开关，Ral、 Rc、 R。、 Ra4、 Ra5为电流信号分流衰减电阻， Ra6、 Ra7、 Ra8、 Ra9为电流信号衰减滤波电阻，Cal、 C。、 Ca3、 Ca4为电流信号相移滤波电容， Dal、 Da2、 Dd、 D"为过压保护二极管。
附图3是CT运行误差示意图，附图4是多变比CT切换运行示意图。
具体实施例方式
在附图所示的实施例中，该装置由组合互感器和计量组件组成。其中互感器为采用了新 材料和新工艺制成的多电流变比干式户外电流检测器件(CT)和电压检测器件(PT)的组合， 计量组件电力负荷专用计量芯片(LMP)、单片机(MCU)、电阻分流(A.S!' (/=1, 2,...， n))、 阻容耦合滤波、衰减网络(F.A.I、 F.A.V)、模拟开关(SS)、铁电存储器芯片(M)、显示模 块(LCD)、通讯模块(COM)配以工作电源(PS)、保护等外围器件组合、连接而成。
三相电用电负荷量经电压互感器(PT)和多变比电流互感器(CT)检测、转换，以相应 的电压信号模拟量从其二次端引入计量组件的相应端子。其中，相应于额定电流和各额度电 流检测，多变比电流互感器(CT)的二次绕组制成从低到高多变比绕组，分别通过相应组接 线端子AP1c广APNct、 ANct、 BPlc广BPNcr、 BNCT、 CP1C1~CPNCT、 CNcr引出。
一方面，相应于每一相电流的各档段(本实施例采用4档)变比模拟量，各变比电流计 量信号分别通过其互感器各档接线端子(如A相的AP1CT~AP4CT)，送入相应档段的分流衰减 (A.S/ (/=1， 2，...， 4))信号处理通道；各变比分流衰减处理通道分别通过其端子(如 AP1CT~AP4CT)，接入该相受控模拟开关(SS)的相应输入端子(如13、 14、 15、 12),再通过 该模拟开关的端子3接入该相电流计量信号滤波、衰减处理通道，继而通过该通道的输出端 (如ap)，接入电力负荷专用计量芯片(LMP)的该相电流输入端(如IAP),即经受控模拟 丌关(SS)选通，将其一路，通过电流计量信号滤波、衰减处理通道，送入计量芯片(LMP) 的电流输入端；另一方面，各变比电流计量信号同时通过其互感器的公共接线端子(如A相的 ANCT),接入该相公共端电流计量信号滤波、衰减处理通道，继而通过该通道的输出端(如 an),接入计量芯片(LMP)的该相电流输入端(如IAN)。
在每相各变比档段(本实施例采用4档)电流信号处理通道中，(如A相的)电流信号分 流衰减电阻Ra卜Ra2、 Ra3、 Ra4、 Ra5分别跨接在AP1CT~GND、 AP2ct"GND、 AP3cr-GND、
5AP4CT—GND和ANcT—GND端之间；受控模拟开关SS的输入端子13、 14、 15、 12分别与 AP1ct、 AP2ct、 AP3ct和AP4ct逢接，其控制端子A、 B、 C均连接到MCUAT89S52的P1.0 端子，其VDD和VEE端子分别接到工作电源的5V和-5V端，其l、 2、 4、 5及INH、 VSS 均接GND，其输出端子3与电流信号衰减滤波通道输入端，即电流信号衰减滤波电阻Ra6的 一端连接；电流信号衰减滤波电阻R&和Ra7串联在3—ap端之间，电流信号衰减滤波电阻 Ra8和Ra9串联在ANct—an端之间；电流信号相移滤波电容Cal和C"的一端分别连接到Ra7 的两端，另一端均接GND,电流信号相移滤波电容Ca和Ca4的一端分别连接到Ra9的两端， 另一端均接GND;过压保护二极管Dai和Da2互为反向，并跨接在ap—GND之间，过压保护 二极管Da和Da4互为反向，并跨接在an—GND之间。
相应于电压的模拟量通过电压计量信号滤波、衰减处理通道(F.A.V)，直接送入计量芯 片(LMP)的电压输入端VAP VCP。这些信号通过计量芯片(LMP)，经高分辨率模数转换、 计算、与滤波和DSP，将送入的模拟量转换成为相应的有、无功用电负荷计量数字信号，分 别通过单片机(MCU)等模块处理，输出到多段用电负荷量显示模块(LCD)、存储模块(M)、 通讯模块(COM)、报警器、计算机等数字终端执行器件。
利用单片机(MCU)对计量芯片(LMP)的有功负荷计量输出DOUT数据的处理，得到 相应于瞬时有功功率信号的数字量，该数字量再经单片机(MCU)的功率比较处理，与相应 于额定功率各档段给定比率量进行比较，送出切换控制信号，通过单片机(MCU)的P1.0 端子送入各相通道的多路模拟开关(SS)的A、 B、 C控制端。当瞬时有功负荷功率(电流) 处于额定容量的相应档段给定比率量时，单片机(MCU)的P1.0输出相应数据，控制各相模 拟开关(SS)，使其相应端子3为接通状态，其它端子为阻断状态，即该档段变比电流信号通 道为接通，其它档次变比电流信号通道为阻断，电路将该档段变比电流信号送入计量芯片 (LMP)的电流输入端1AP ICP、 IAN ICN;当负荷功率(电流)低于额定容量的相应档段 给定比率量时，P1.0输出相应数据控制模拟开关(SS)转换，使其低一档段相应端子为接通 状态，其它端子为阻断状态，将低一档次变比电流信号送入计量芯片(LMP)的电流输入端 IAP ICP、 IAN ICN;当负荷功率(电流)高于额定容量的相应档段给定比率量时，P1.0输 出相应数据控制模拟开关(SS〉转换，使其高一档次相应端子3为接通状态，其它端子为阻 断状态，将高一档次变比电流信号送入计量芯片(LMP)的电流输入端IAP ICP、 IAN ICN。
同时，切换控制电平使单片机(MCU)执行相应的选通、控制、读、写、计算等操作， 以按给定档段，将计量芯片(LMP)数字引脚DOUT输出的三相有、无功负荷计量数据，准 确地送入其存储模块(M)的相应地址和显示模块(LCD)，计算瞬时有、无功功率、功率因 数，控制存储模块(M)以多区分别保存各给定档段有、无功用电负荷量，控制显示模块(LCD) 以三秒为周期交替显示当前时刻各段有、无功用电负荷量，控制485总线(13)将数据上传 数据中心。通过接于单片机(MCU) Pl.l端的按键(K。，控制显示转换，随意选通瞬时数 据，以两秒钟为周期，循环三次显示任意时刻所处档段有、无功功率、功率因数及其时间； 通过接于单片机(MCU) P1.2端的按键(K2),控制中断，刷新存储各档段当前(本月)数 据，以四秒钟为周期，循环三次显示各档段上次(上月)数据及各档段当前(本月)数据与 上次(上月)数据之差量；通过接于其P1.3端的按键(K3)，控制转换、选通并以五秒钟为 周期，循环三次显示谐波、负功率、失压、断相、调相、断电等异常情况记录。
权利要求
1.一种实现全量程精度平衡，提高计量、显示精度的电力负荷实时分段计量方法。其特征是在检测端就采取反映从高到低各档次负荷额度的各档次变比电流互感器分别在负荷功率的不同额度下运行，即分段检测的模式，以实现全量程精度平衡，提高计量、显示精度；同时，根据负荷功率的大小分段且循环显示有功能量、无功能量，按键显示瞬时有、无功功率、功率因数，按键显示谐波、负功率、断相、调相、停电等异常情况记录。
2. 根据权利要求1所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是相应于额定电流和各 档段电流检测，多变比电流互感器的二次侧绕制成从低到高多变比绕组，分别通过相应变比 接线端子引出。
3. 根据权利要求1和权利要求2所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是检测、 变换用电负荷电流的电流互感器各档段变比二次绕组分别通过其接线端子，接入相应档段变 比电流计量信号的分流电阻衰减处理通道。
4. 根据权利要求1和权利要求3所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是每一相 各档段变比分流衰减处理通道分别接入相应相受控模拟开关的相应端子，再均通过该控模拟 开关的输出端子接入相应相屯流计量信号滤波、衰减处理通道，继而接入专用计量芯片 AT7022B的电流输入端IAP、 IBP或ICP。
5. 根据权利要求1所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是用电负荷电流、电压 计量信号通过计量芯片，经高分辨率模数转换、计算与滤波和DSP，将送入的相应模拟量转 换成为相应的数字计量信号，分别通过单片机AT89S52模块处理，输出到各段显示、存储模 块、报警器、计算机等数字终端执行器件。
6. 根据权利要求1和权利要求5所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是单片机 对计量芯片的负荷计量输出数据进行计算处理，得到相应于瞬时功率(电流)信号的数字暈， 再经单片机与相应于额定容量的给定比率量进行比较处理，通过单片机的P1.0端子送出切换 控制信号。
7. 根据权利要求1和权利要求6所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是单片机 的P1.0端子的控制数据输出到各相模拟开关的A、 B、 C控制输入端，控制模拟丌关，使得 当瞬时负荷功率(电流)处于额定容量的相应档段给定比率量时，相应档次变比电流信号通 道为接通，其它档次变比电流信号通道为阻断，电路将该变比电流信号送入计量芯片的电流 输入端；当负荷功率(电流)低于额定容量的相应档段给定比率量时，控制电平使模拟丌关转换，该档次变比电流信号通道阻断，低一档次变比电流信号通道接通，将低一档次变比电流信号送入计量芯片的电流输入端；当负荷功率(电流)高于额定容量的相应档段给定比率 量时，控制电平使模拟开关转换，该档次变比电流信号通道阻断，高一档次变比电流信号通 道接通，将高一档次变比电流信号送入计量芯片的电流输入端。
8. 根据权利要求1和权利要求6所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是单片机 执行相应的操作，将计量芯片数字引脚输出的有、无功用电负荷量计量数据，准确地送入存 储、显示模块，将相应于各档段变比的计量数据及其处理结果，按给定两段以多区分别保存， 按相应段周期性交替显示。
9. 根据权利要求1和权利要求6所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是通过接 于单片机P1.1端的按键，控制显示转换，随意选通瞬时数据，以两秒钟为周期，循环三次显 示任意时刻所处档段有、无功功率、功率因数及其时间；通过接于单片机P1.2端的按键，控制中断，刷新存储各档段当前(本月)数据，以四秒钟为周期，循环三次显示各档段十.次(上月)数据及各档段当前(本月)数据与上次(上月)数据之差量；通过接于其P1.3端的按键，控制转换、选通并以五秒钟为周期，循环三次显示谐波、负功率、失压、断相、调相、断电 等异常情况记录。
10. 根据权利要求1所述的电力负荷实时分段计量方法，其特征是无任何按键，以二秒 钟为周期，循环显示当前时刻各档段有、无功电能。
全文摘要
一种实现全量程精度平衡，提高计量、显示精度的电力负荷实时分段计量方法。其总体方案是在检测端就采取反映从高到低各档次负荷额度的各档次变比电流互感器分别在负荷功率的不同额度下运行，即分段检测的模式，以实现全量程精度平衡，提高计量、显示精度；同时，根据负荷功率的大小分段且循环显示有功能量、无功能量，按键显示瞬时有、无功功率、功率因数，按键显示谐波、负功率、断相、调相、停电等异常情况记录等。
文档编号G01R22/00GK101493484SQ20081017039
公开日2009年7月29日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者屈百达 申请人:江南大学