一种非侵入式无线电能计量系统及方法与流程

1.本发明涉及电能计量技术领域，尤其涉及电力系统中功率因数计算、能量计量的方法。


背景技术：

2.能耗监测是开展节能工作的基础，加强能耗监测尤其是电力能耗额监测对提高我国能源效率、实现能源的可持续发展、建设节约型社会和缓解能源压力等具有重要意义。
3.传统的能耗监测是采用分项能耗计量的方法，即对供电电路进行分项计量改造，按照要求安装带有通信功能的电能表，实现能耗（例如电能、电流、功率因数、温度等）的数据采集与监测分析。传统的电能表需要停电安装，布线多，安装和维护的费用高。
4.目前市场上的无线电流温度传感器,利用输电线周围感应的电磁能量获取电能，在线监测电缆的温度、电流等电气参数，结合无线通信实现数据无线传输功能。只测量电流、电压、温度等可以在一定程度反映线路运行的状态，但是不能提供实际的功率、电流正反向、无功四象限、电能等参数，这些参数对于实际用电分析至关重要。
5.现有的电能表：能够提供比较全面的电气参数，但是存在体积大、侵入式安装、安装不方便、成本高等特点。
6.现有的非侵入式方案：安装便捷、自供电、免布线等，但存在电气参数测量少，仅支持电流、温度的测量，不能表示真实用电情况。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种非侵入式无线电能计量系统及方法，在非侵入的前提下，完成待测线路的功率、能量等参数的测量，既可以支持免停电安装、自供电，又可以测量多种电气参数。
8.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种非侵入式无线电能计量系统，包括：电源管理单元、采样单元、数据处理单元和无线通信单元。
9.电源管理单元包括电流互感器和储能装置，储能装置为超级电容或充电电池；电源管理单元负责微能量收集，利用电流互感器从待测电线获取电能，进行存储、输出，维持整个系统的正常运行。
10.采样单元包括电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路；用于待测电线的电流波形采样、电压波形采样以及线缆温度采样；数据处理单元用于根据采样单元采集的电流波形、电压波形及温度，计算电压、电流、功率因数、功率及能量；无线通信单元：用于将计算的电压、电流、功率因数、功率及能量无线传输至数据采集器。
11.一种非侵入式无线电能计量方法，具体步骤如下：
步骤1、电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路断开，微能量收集，电源管理单元感应取电。
12.步骤2、开启电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路，采集电压波形、电流波形和温度数据，当采样完成，关闭采样电路，电源管理单元继续充电。
13.步骤3、数据处理单元对电压波形、电流波形中的直流分量和噪声进行滤波处理，计算电压、电流、功率因数、功率及能量。
14.步骤4、将计算的电压、电流、功率因数、功率及能量数据无线发送到数据采集器，供进一步对用电情况、电网状况进行分析。
15.当电流互感器从电缆上取的电能足够支持整个系统的运行消耗时，多余的电能对储能装置充电；当电流互感器从电缆上取的电能不能满足整个系统的运行消耗时，则切换储能装置供电。
16.电压与电流波形采样点数由采样周波数目、采样频率以及电网频率共同确定。电网频率根据电流过零时间间隔确定。
17.电压和电流根据如下公式计算得到：根据如下公式计算得到：其中，n为采样点数， quote
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和 quote
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分别为电压直流偏置和电流直流偏置， quote
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为电压有效值， quote
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为电压计算系数， quote
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为第i点的电压采样波形瞬时值， quote
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为电流有效值， quote
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为电流计算系数， quote
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为第i点的电流采样波形瞬时值。
18.将电压波形和电流波形进行傅里叶变换，求得电压波形和电流波形的相位差 quote
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，进而得到功率因数，公式如下：其中， quote
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是电压感应一次二次侧电压波形的相位偏移， quote
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是经电流互感器转换的一次二次侧电流波形相位偏移。φ。
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和 quote
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通过无线或者有线方式分别进行相位校准获得。
20.电压相位校准方法包括如下步骤：步骤1：基准装置检测到电压过零，通过有线或者无线方式将电压过零标志和电网频率广播给待校准设备；步骤2：待校准设备接收到电压过零标志，开始电压感应过零检测，检测到电压过零后，结合电网频率和无线通信时间计算相位偏移，并将相位偏移值存入待校准设备。
21.根据如下公式计算功率和能量：根据如下公式计算功率和能量：其中，p为有功功率，时间 quote
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根据前后两次采样的时间间隔确定。
22.无线发送方式包括lora和ble。
23.本发明的有益效果：本发明在非侵入的前提下，完成待测线路的功率、能量等参数的测量，非侵入式安装，自供电、免布线，大大节约实施成本。又支持全面的电气参数测量（电压、电流、温度、功率因数、功率、能量等）。
附图说明
24.本发明有如下附图：图1本发明的数据采样与数据处理流程示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
26.一种非侵入式无线电能计量系统，主要包括4个部分：电源管理单元、采样单元、数据处理单元、无线通信单元。
27.电源管理单元：至少包括电流互感器和储能装置，储能装置为超级电容或充电电池，主要负责微能量收集，利用电流互感器从待测电线获取电能，进行存储、输出，维持整个系统的正常运行。
28.采样单元：主要负责待测电线的电流波形采样、电压波形采样以及线缆温度采样。采样单元至少包括电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路。
29.数据处理单元：根据采样单元采集的电流波形、电压波形及温度，计算电压、电流、功率因数、功率及能量等数据。
30.无线通信单元：将计算的电气数据（电压、电流、功率因数、功率及能量）无线传输至数据采集器。
31.一种非侵入式无线电能计量方法，利用上述非侵入式无线电能计量系统，具体步骤如下：步骤1、电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路断开，微能量收集，电源管理单元感应取电。
32.步骤2、开启电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路，采集电压波形、电流波形和温度数据，当采样完成，关闭采样电路，电源管理单元继续充电。
33.步骤3、数据处理单元对电压波形、电流波形中的直流分量和噪声进行滤波处理，计算电压、电流、功率因数、功率及能量。
34.步骤4、将计算的电压、电流、功率因数、功率及能量数据无线发送到数据采集器，供进一步对用电情况、电网状况进行分析。无线发送方式可选用lora、ble等。
35.以下对上述各步骤进行具体说明：一、感应取电：根据电磁感应原理，利用电流互感器从电线上直接取能。电缆上的电流存在或大或小两种情况。电流比较大时，电流互感器从电缆上取的能量已经足够支持整个系统的运行消耗，多余的能量可以对超级电容或充电电池充电；电流较小时，电流互感器从电缆上取的能量不能满足整个系统的运行消耗，则切换超级电容或电池供电。
36.二、电压、电流、温度采样：电压与电流波形采样点数由采样周波数目、采样频率以及电网频率共同确定。电网频率根据电流过零时间间隔确定。例如采样10个周波、采样频率4000hz、电网频率50hz，则采样点数为一个周波80个点，10个周波800个点。
37.1、电压波形采样：通过电压采样电路将待测电线辐射的电场强度感应转换为能够供adc采样的电压信号。
38.2、电流波形采样：通过电流采样电路将电流互感器二次侧输出的电流转换为能够供adc采样的电压信号。
39.3、温度采样：通过温度采样电路将温度测量芯片输出的阻值转化为能够供adc采样的电压信号。
40.三、数据处理：1、直流分量和干扰滤除电压信号和电流信号均为交流信号，由于器件特性或电网中存在的干扰等，会对电压和电流原始波形产生影响，因此需要通过软件或者硬件方法对其中的直流分量部分和干扰进行滤除。
41.2、电压、电流、功率因数等计算电压、电流可根据如下公式计算得到：电流可根据如下公式计算得到：
其中，n为采样点数， quote
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分别为电压直流偏置和电流直流偏置， quote
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为电压有效值， quote
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为电压计算系数， quote
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为第i点的电压采样波形瞬时值， quote
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为电流有效值， quote
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为电流计算系数， quote
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为第i点的电流采样波形瞬时值。
42.功率因数pf计算：可以通过将电压波形和电流波形进行傅里叶变换，求得电压波形和电流波形的相位差 quote
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φ，进而得到功率因数，公式如下： quote
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φ其中， quote
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是由于硬件器件、电路导致一次二次侧波形出现的相位偏移。 quote
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是电压感应一次二次侧电压波形的相位偏移， quote
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是经电流互感器转换的一次二次侧电流波形相位偏移。
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在生产阶段通过无线或者有线方式分别进行相位校准获得。以下介绍电压相位的无线校准方法。以电压相位校准为例，包括基准装置和待校准设备。
44.电压相位校准方法包括如下步骤：步骤1：基准装置检测到电压过零，通过无线或者有线方式将电压过零标志和电网频率广播给待校准设备；步骤2：待校准设备接收到电压过零标志，开始电压感应过零检测，检测到电压过零后，结合电网频率和无线通信时间计算相位偏移，并将相位偏移值存入待校准设备。
45.电流相位校准具体方法同电压相位校准方法。
46.上述校准也可以通过检测电压/电流峰值或谷值实现相位电压/电流校准。
47.设备也可以有线方式根据上述相位校准方法实现电压、电流的相位校准。
48.3、功率、能量计算根据如下公式计算功率、能量：能量：其中，p为有功功率。
49.计算的时间 quote
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可以根据设备前后两次采样的时间间隔确定。
50.四、无线通信：1、数据传输：将计算的电气数据（电压、电流、功率因数、功率及能量）无线传输到数据采集器，供后续能耗分析使用。
51.以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
52.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。