新型高压电能直接计量装置和方法与流程

本发明涉及一种电能计量技术，特别是涉及一种直接计量10kv高压线路电能的新型计量装置和方法。

背景技术：

目前，高压电能计量实现方案主要采用的是传统高压电能计量装置（高压计量柜或高压计量箱），其原理是：通过电磁式电压互感器把一次侧的a-b和c-b相间电压按比例转换为二次侧的额定值100v的相间电压ua-b及uc-b。把一次侧a相，c相的高压电流通过电流互感器按比例转换为额定值为1a或5a的二次侧电流。二次侧的电压，电流接入三相三线电能表（二元件）积算出二次侧的电能，再把二次侧电能乘以pt，ct的变比最终得到高压侧的电能。

传统的高压计量柜或高压计量箱都是由电压互感器，电流互感器，电能表等几个分离部件共同组合在一起完成计量。存在以下缺陷：1）整体准确度除了由各部件准确度影响之外，还受现场电压回路二次压降等因素影响，技术上目前难以整体检定其误差，通常整体准确度只能用“综合误差”表示，因此计量准确度无法准确定义；2）互感器重量在百公斤以上，搬运，安装困难；3）传统装置中的电能表安装在低压侧，难以防止低压窃电。

中国发明专利“高压电能直接计量系统和方法(专利号：200810002310.1)”提出了一种设置在三相高压线路上的高压电能直接计量系统和方法，其实现原理就是采用两个独立的高压电能计量单元（本质上就是单相电能表）分别置于a相和b相，用于分别计量uab,ia和ucb,ic的电能。其中a相高压电能计量单元采集的功率为（pa=uab*ia）；同样的，c相高压电能计量单元采集的功率为（pa=ucb*ic）；通过光纤将这两部分电能传送给置于b相上的电能综合单元。在电能综合单元上进行累计，从而实现高压电能的直接计量（p=pa+pc=uab*ia+ucb*ic）。

本方法只是解决了最基本的高压电能的直接计量问题，但两块独立的单相电能计量单元不能实现同步采样，因而不能准确测量三相电压之间的相位关系以及三相电流之间的相位关系，从而不能准确监测电压，电流的不平衡度，实际上，三相二元件的电能计量方式在电压，电流严重不平衡时会产生较大的误差，此时电表必须能通过检测不平衡度产生告警事件。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了一种新型高压电能直接计量装置和方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种新型高压电能直接计量装置，其包括：设置于b相的三相三线数字化电能计量模块，设置于a相与b相之间的第一一体化智能电压电流采集模块，设置于c相与b相之间的第二一体化智能电压电流采集模块，给各个模块供电的电源模块，以及用于传输同步时钟和采样数据的光纤；

所述的三相三线数字化电能计量模块包括：主控mcu,与主控mcu电连接的存储模块,通信模块，以及数据传输电路；所述的存储模块包括用于存储历史电量等数据的flash(2),用于存储当前数据的铁电存储器(3),所述的通信模块为用于与低压显示终端或其他抄表设备进行通信的微功率小无线模块，所述的数据传输电路包括第一电光转换电路，第一光电转换电路，第四电光转换电路，第五电光转换电路；

所述的第一一体化智能电压电流采集模块包括：mcu，与mcu电连接的第二电光转换电路、第二光电转换电路、第一adc、第二adc，与第一adc、第二adc连接的第一调理电路，以及与第一调理电路连接的第一分压电路和第一电流互感器；所述的第一分压电路设置于a相电力线与b相电力线之间，所述的第一电流互感器与a相电力线链接；

所述的第二一体化智能电压电流采集模块包括：mcu，与mcu电连接的第三电光转换电路、第三光电转换电路、第三adc、第四adc，与第三adc、第四adc连接的第二调理电路，以及与第二调理电路连接的第二分压电路和第二电流互感器；所述的第二分压电路设置于c相电力线与b相电力线之间，所述的第二电流互感器与c相电力线链接；

所述的第一电光转换电路与所述的第二光电转换电路、第三光电转换电路连接，所述的第一光电转换电路与所述的第二电光转换电路、第三电光转换电路连接。

基于上述的新型高压电能直接计量装置，本发明提供了一种新型高压电能直接计量方法，包括如下步骤：

s1：设置于b相的三相三线数字化电能计量模块通过光纤发送采样同步时钟给设置于a相与b相之间的第一一体化智能电压电流采集模块，设置于c相与b相之间的第二一体化智能电压电流采集模块；

s2：设置于a相与b相之间的第一一体化智能电压电流采集模块按同步时钟通过精密adc对线电压uab以及相电流ia进行采样，并把量化后的电压，电流的瞬时采样值数据通过光纤传送给设置于b相的三相三线数字化电能计量模块；

s3：同样的，设置于c相与b相之间的第二一体化智能电压电流采集模块按同步时钟对线电压ucb以及相电流ic进行采样，并把量化后的电压，电流的瞬时采样值数据通过光纤传送给设置于b相的三相三线数字化电能计量模块；

s4：设置于b相的三相三线数字化电能计量模块接收(uab,ia),(ucb,ic)的瞬时采样值数据，通过计量算法积算出有功电能，无功电能，实现电能的计量，并计算各电参量的测量值。

与现有技术相比本发明的有益效果在于，与由电磁式电压互感器(ct)，电流互感器(pt)以及普通三相三线电能表构成的传统高压计量柜/高压计量箱相比，本发明具备可溯源的确定的准确级，消除了ct,pt以及二次压降带来的误差，提高了测量精度，易于安装，体积和重量都显着减少，大幅降低成本。与现有的高压电能直接计量方法相比，本发明实现了对各相电压，电流的同步采样，从而能准确测量各相电压，电流的相位，可以实现准确监测电网运行时电压，电流的不平衡。

本发明通过采用一体化的智能电压电流采集模块在同步时钟的控制下实现对高压信号的同步就地取样，并通过光纤将瞬时采样数据传送给数字化电能表，解决了高压信号直接取样时存在的耐压和绝缘问题。本发明中的三相三相电能计量模块的输入量为数字量，即量化后的电压，电流瞬时值数据。通过精密计量算法实现电能计量，可有效解决了高压电能的直接计量及电参量的测量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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是本发明新型高压电能直接计量装置的总体原理框图；

图2是本发明三相三线数字化电能计量模块的原理框图；

图3是本发明第一一体化智能电压电流采集模块的原理框图；

图4是本发明第二一体化智能电压电流采集模块的原理框图。

具体实施方式

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。

通常，对高压电能计量通常采用二元件法，即：

a元的功率为：pa=uab*ia

c元的功率为：pc=ucb*ic

总的功率为:p=pa+pc=(uab*ia)+(ucb*ic)

但普通的三相三线式电能表前端为直接输入的电压，电流模拟量，对10kv的高压进行计量时，如果直接输入电压，电流模拟量，那电能表中必然存在目前技术条件下无法克服的相间耐压问题和绝缘问题。如果能够实现对高压信号的就地同步取样并将量化后的电压电流瞬时数字量通过光纤传送给数字化电能表以隔离高压就能够有效解决相间耐压问题和绝缘问题。我们基于此思路，提出了一种新型高压电能直接计量装置。

本发明新型高压电能直接计量装置的总体原理框图如图1所示。包括设置于b相的三相三线数字化电能计量模块1，设置于a相与b相之间的第一一体化智能电压电流采集模块2，设置于c相与b相之间的第二一体化智能电压电流采集模块3，给各个模块供电的电源模块4，以及用于传输同步时钟和采样数据的光纤。

所述的三相三线数字化电能计量模块的原理框图如图2所示，包括：主控mcu11,与主控mcu11电连接的存储模块,通信模块，以及数据传输电路；所述的存储模块包括用于存储历史电量等数据的flash18,用于存储当前数据的铁电存储器17,所述的通信模块为用于与低压显示终端或其他抄表设备进行通信的微功率小无线模块16，所述的数据传输电路包括第一电光转换电路14，第一光电转换电路15，第四电光转换电路12，第五电光转换电路13。

该三相三线数字化电能计量模块1与b相等电位，其主要功能是：向第一一体化智能电压电流采集模块2及第二一体化智能电压电流采集模块3发送同步时钟以控制就地采样的同步；接收各相电压，电流量化后的数字量，通过电能计量模块实现高压电能的计量，同时实现各相电压值，电流值，有功功率，无功功率，功率因数，相位，谐波含量等一系列的电参量的测量。主控mcu11积算当前有功电能，通过第四电光转换电路12输出有功电能脉冲；主控mcu11积算当前无功电能，通过第五电光转换电路13输出无功电能脉冲；主控mcu11通过第一电光转换电路14输出采样同步脉冲；通过第一光电转换电路15接收瞬时采样值数据，并送给主控mcu11进行电能积算以及各电参量测量值的计算；电源模块4由分压电容将uab,ucb分压整流后，经开关电源或线性电源后产生系统工作电压。

所述的第一一体化智能电压电流采集模块2的原理框图如图3所示，包括：第一mcu22，与第一mcu22电连接的第二电光转换电路28、第二光电转换电路21、第一adc23、第二adc27，与第一adc23、第二adc27连接的第一调理电路24，以及与第一调理电路24连接的第一分压电路25和第一电流互感器26；所述的第一分压电路25设置于a相电力线与b相电力线之间，所述的第一电流互感器26与a相电力线链接。

该第一一体化智能电压电流采集模块2用于在接收的同步时钟控制下实现线电压uab,电流ia的同步就地取样，并把量化后的电压，电流值数据实时发送给三相三线数字化电能计量模块2。第一分压电路25设置于a相电力线与b相电力线之间，将uab分压后经过第一调理电路24的运放调理后送入第一adc23；第一电流互感器26由低功率线圈或罗氏线圈构成，将a相电力线的一次电流转换为二次电流，经第一调理电路24后送入第二adc27；第一mcu22通过第二光电转换电路21接收同步时钟，并按此时钟控制第一adc23和第二adc27对电压、电流进行同步采样，然后将量化后的电压电流值数据通过第二电光转换电路28传送给三相三线数字化电能计量模块2。电源模块4由电容将uab分压整流后经开关电源或线性电源后产生系统工作电压。

所述的第二一体化智能电压电流采集模块3的原理框图如图3所示，包括：第二mcu32，与第二mcu32电连接的第三电光转换电路38、第三光电转换电路31、第三adc33、第四adc37，与第三adc33、第四adc37连接的第二调理电路34，以及与第二调理电路34连接的第二分压电路35和第二电流互感器36；所述的第二分压电路35设置于c相电力线与b相电力线之间，所述的第二电流互感器36与c相电力线链接。

该第二一体化智能电压电流采集模块3用于在接收的采样时钟控制下实现线电压ucb,电流ic的就地取样，并把量化后的电压，电流值数据实时发送给三相三线数字化电能计量模块2。第二分压电路35设置于c相电力线与b相电力线之间，将ucb分压后经过第二调理电路34的运放调理后送入第三adc33；第二电流互感器36由低功率线圈或罗氏线圈构成，将c相一次电流转换为二次电流，经第二调理电路34后送入第四adc37；第二mcu32通过第三光电转换电路31接收同步时钟，并按此时钟控制第三adc33和第四adc37对电压、电流进行同步采样，然后将量化后的电压电流值数据通过第三电光转换电路38传送给三相三线数字化电能计量模块2；电源模块4由电容将ucb分压整流后经开关电源或线性电源后产生系统工作电压。

所述的第一电光转换电路14与所述的第二光电转换电路21、第三光电转换电路31连接，所述的第一光电转换电路15与所述的第二电光转换电路28、第三电光转换电路38连接；所述adc可以设在在mcu内部与mcu一体，也可分开。

基于上述的新型高压电能直接计量装置，本发明提出一种新型高压电能直接计量方法，包括如下步骤：

s1：设置于b相的三相三线数字化电能计量模块1通过光纤发送采样同步时钟给设置于a相与b相之间的第一一体化智能电压电流采集模块2，设置于c相与b相之间的第二一体化智能电压电流采集模块3；

s2：设置于a相与b相之间的第一一体化智能电压电流采集模块2按同步时钟通过精密adc对线电压uab以及相电流ia进行采样，并把量化后的电压，电流的瞬时采样值数据通过光纤传送给设置于b相的三相三线数字化电能计量模块1；

s3：设置于c相与b相之间的第二一体化智能电压电流采集模块3按同步时钟通过精密adc对线电压uab以及相电流ic进行采样，并把量化后的电压，电流的瞬时采样值数据通过光纤传送给设置于b相的三相三线数字化电能计量模块1；

s4：设置于b相的三相三线数字化电能计量模块1接收(uab,ia),(ucb,ic)的瞬时采样值数据，通过计量算法积算出有功电能，无功电能，实现电能的计量，并计算各电参量的测量值。

本发明的优点在于与传统高压电能计量装置相比，本发明具备可溯源的确定的准确级，消除了ct,pt以及二次压降带来的误差，提高了测量精度，易于安装，体积和重量都显着减少，大幅降低成本。与现有的高压电能直接计量方法相比，本发明实现了对各相电压，电流的同步采样，从而能准确测量各相电压，电流的相位，可以实现准确监测电网运行时电压，电流的不平衡。本发明通过采用一体化的智能电压电流采集模块在同步时钟的控制下实现对高压信号的同步就地取样，并通过光纤将瞬时采样数据传送给数字化电能表，解决了高压信号直接取样时存在的耐压和绝缘问题。本发明中的三相三相电能计量模块的输入量为数字量，即量化后的电压，电流瞬时值数据。通过精密计量算法实现电能计量，可有效解决了高压电能的直接计量及电参量的测量问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。