專利名稱：多功能一體化高壓計量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于IOkV高壓供電線路的電能計量裝置，屬計量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，IOkV線路計量裝置一般由2臺(或3臺)IOkV電磁式電壓互感器、2臺(或3 臺)IOkV電磁式電流互感器、一塊電子式三相電能表、“費控”裝置、IOkV開關(guān)及其電動操作機構(gòu)組成，各部件分體安裝，松散組合在一起。IOkV電磁式電壓互感器將IOkV高電壓轉(zhuǎn)換為100V的低電壓輸出，IOkV電磁式電流互感器將IOkV電壓等級的大電流轉(zhuǎn)換為低壓5A的電流輸出。電壓互感器輸出的100V電壓接入三相電能表后，一路經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)進行二次降壓后送人電能計量單元，另一路經(jīng)隔離變壓器后送人電能表的電源模塊，為電能表提供工作電源。電流互感器輸出的5A電流信號接入三相電能表后，經(jīng)內(nèi)置的電磁式小型電流互感器轉(zhuǎn)換為mA級的電流信號傳送給電能計量單元。電壓互感器輸出的100V電壓接入“費控”裝置后，一路經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)進行二次降壓后傳送給“費控”功能處理單元；另一路經(jīng)隔離變壓器后傳送給“費控”裝置的電源模塊，為“費控”裝置提供工作電源。電流互感器輸出的5A電流信號接入“費控”裝置后，經(jīng)內(nèi)置的電磁式小型電流互感器轉(zhuǎn)換為mA級的電流信號傳送給“費控”功能處理單元。這種高壓電能計量裝置存在以下不足
由于電能表和“費控”裝置分體安裝，導(dǎo)致部分功能器件重復(fù)設(shè)置，增加了計量裝置的制造成本，而且裝置體積較大，通常需要一個專門的儀表箱，安裝時外掛在開關(guān)柜/箱上。為了治理諧波污染，要求計量設(shè)備能分辨諧波源用戶并按下述方法計費對于諧波源用戶，計費總電能為基波電能加上其產(chǎn)生的諧波電能；對于非諧波源的用戶，計費總電能為基波電能減去吸收的諧波電能。由于現(xiàn)有的高壓計量設(shè)備采用同一通道測量基波和諧波，而諧波分量相對基波要小的多，因而諧波信號的信噪比很低，無法區(qū)別對待而實現(xiàn)高精準測量。電磁式電流互感器采用鐵芯材料，當(dāng)被測電流含有直流分量時，二次輸出端容易飽和，直流分量引入的剩磁將帶來計量誤差。只要用戶的負載中含有電力電子產(chǎn)品，或者用戶人為在用電回路中加入整流電路，就可以使電能表少計電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、提供一種多功能一體化高壓計量裝置， 以減小計量裝置的體積，提高計量精度，降低安裝難度。本發(fā)明的問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種多功能一體化高壓計量裝置，構(gòu)成中包括三相電壓互感器、三相電流互感器、計量控制電路和由電動操作機構(gòu)控制的高壓開關(guān)，所述三相電壓互感器和三相電流互感器分別采集高壓供電線路的電壓和電流信號，它們輸出的計量信號接計量控制電路的信號輸入端，所述高壓開關(guān)串聯(lián)于高壓供電線路中，其電動操作機構(gòu)的控制端接計量控制電路的控制信號輸出端。
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上述多功能一體化高壓計量裝置，所述計量控制電路包括信號調(diào)理電路、自適應(yīng)帶通濾波器組、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、計費微處理器、功率脈沖輸出電路、費控微處理器、通信電路和繼電器，所述信號調(diào)理電路包括電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和可編程增益放大器，所述電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的輸入端接電壓互感器的輸出端，所述可編程增益放大器的輸入端接電流互感器的輸出端，信號調(diào)理電路的信號輸出端依次經(jīng)自適應(yīng)帶通濾波器組、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路接計費微處理器的信號輸入端口，所述功率脈沖輸出電路的輸入端接計費微處理器的有功功率輸出端，輸出端接校表儀器；所述費控微處理器通過通信接口與計費微處理器連接，通過通信電路與上位機通訊，并通過繼電器控制高壓開關(guān)的電動操作機構(gòu)。上述多功能一體化高壓計量裝置，所述自適應(yīng)帶通濾波器組包括基波帶通濾波器、諧波帶通濾波器和抗混疊濾波器，它們的輸入端均接信號調(diào)理電路輸出的待測信號，輸出端依次經(jīng)采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的不同通道接計費微處理器，在諧波帶通濾波器的輸出端還設(shè)置有諧波可編程增益放大器。上述多功能一體化高壓計量裝置，所述計量控制電路的構(gòu)成中還包括鎖相環(huán)電路，所述鎖相環(huán)電路由鑒相器、低通環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻電路組成，它們首尾相接成環(huán)形電路，所述鑒相器的輸入端經(jīng)施密特觸發(fā)器接自適應(yīng)帶通濾波器組的輸出端，壓控振蕩器的輸出端接采樣保持電路的采樣脈沖信號輸入端。上述多功能一體化高壓計量裝置，所述電流互感器采用無鐵芯的空心線圈。上述多功能一體化高壓計量裝置，所述電壓互感器的副邊線圈包括計量繞組和供電繞組，所述計量繞組輸出的計量信號分成兩路，一路接信號調(diào)理電路的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，一路接計量控制電路的電源模塊的輸入端，所述供電繞組的輸出端為高壓開關(guān)的電動操作機構(gòu)供電。本發(fā)明采用一體化設(shè)計，由計量控制電路計量電能并根據(jù)計量結(jié)果控制供電回路高壓開關(guān)的電動操作機構(gòu)，同時還與設(shè)置在遠方計量控制中心的上位機通訊。同傳統(tǒng)計量裝置相比，本發(fā)明避免了功能器件的重復(fù)設(shè)置，有效減小了計量裝置的體積，降低了制造成本。本裝置利用自適應(yīng)帶通濾波器組實現(xiàn)了基波和諧波信號的分離，提高了諧波測量的信噪比，很好地解決了由于諧波分量測量精度低而引起的電能計量誤差大的問題；鎖相環(huán)電路用于消除電網(wǎng)頻率波動對采樣的影響，保證了電能計量精度。電流互感器采用無鐵芯的空心線圈，不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，避免了引入直流分量進行竊電的行為。省去了內(nèi)置小型電流互感器，減少了中間接口轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而減少了附加的轉(zhuǎn)換誤差。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明的電原理圖； 圖2是信號分離的原理圖3是分量頻率跟蹤原理圖； 圖4是空芯線圈的測量原理圖。圖中各標號為CT、CTl、CT2、CT3、電流互感器，PTl、PT2、PT3、電壓互感器，K、高壓開關(guān)，AC/DC、電源模塊，S/H、采樣保持電路，A/D、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，PGA1、可編程增益放大器，PGA2、諧波可編程增益放大器，BP、帶通濾波器，BP1、基波帶通濾波器，BP2、諧波帶通濾波器，LP、抗混疊濾波器，/、數(shù)字積分器，SC、施密特觸發(fā)器，PH、鑒相器，LPF、低通環(huán)路濾波器，VC0、壓控振蕩器，SJ、基波信號輸出，SX、諧波信號輸出，SL、譜分析信號輸出。
具體實施例方式參看圖1，本發(fā)明設(shè)有由電動操作機構(gòu)控制的1OkV高壓開關(guān)K、2臺或3臺1OkV電壓互感器(圖1中為3臺)、2臺或3臺1OkV電流互感器(圖1中為3臺)、一體化的計量控制電路；1OkV電壓互感器采用硅橡膠澆注干式絕緣，采用傳統(tǒng)電磁式以便為設(shè)備提供電源， 二次輸出設(shè)計為雙繞組以保證計量精度，一個為計量繞組，另一個為供電繞組；1OkV電流互感器采用硅橡膠澆注干式絕緣，不含鐵芯材料，采用空芯線圈原理，無直流飽和問題；一體化的計量控制電路主要包括信號調(diào)理電路、自適應(yīng)帶通濾波器組、鎖相環(huán)電路、計費微處理器模塊、費控微處理器、采樣保持電路S/H、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D、功率脈沖輸出電路、控制繼電器和通信電路；所述信號調(diào)理電路包括電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和可編程增益放大器PGAl ；1OkV 電流互感器和高壓開關(guān)K串接在1OkV線路中；1OkV電壓互感器接入線電壓或相電壓(圖1 中接相電壓);10kV電壓互感器二次計量繞組輸出100V電壓傳變信號，接入信號調(diào)理電路的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)；1OkV電壓互感器二次供電繞組的交流220V輸出接入高壓開關(guān)的電動操作機構(gòu)；1OkV電流互感器輸出的mV級信號接入信號調(diào)理電路的可編程增益放大器PGAl ；計量控制電路的繼電器控制高壓開關(guān)的電動操作機構(gòu)。本發(fā)明將計量功能單元、“費控”單元進行一體化綜合優(yōu)化設(shè)計，采用DSP和ARM7 系列新器件作為核心器件，構(gòu)成小型化、集成化的計量控制電路，避免了器件的重復(fù)設(shè)置， 很容易裝入開關(guān)柜/箱中。計量控制電路、1OkV高壓開關(guān)及其電動操作機構(gòu)、干式絕緣的互感器有機組合為一體，裝入一個封閉的箱體。這種一體化箱體的設(shè)計結(jié)構(gòu)除了具有重量輕、 體積小的優(yōu)點外，還具有顯著的防竊電性能由于互感器二次電纜不外露，可以防止割斷二次電纜的竊電行為；采用主站授權(quán)的電子密碼鎖，通過監(jiān)視電子鎖的狀態(tài)可以防止非法開箱的竊電行為。參看圖4，本發(fā)明采用無直流飽和特性的空芯線圈式IOkV電流互感器，可以防止直流技術(shù)竊電行為?？招揪€圈式IOkV電流互感器輸出為mV級信號，具有微分輸出特性，而計量控制電路的計費微處理器設(shè)有數(shù)字積分器/，將二者有機相結(jié)合，空芯線圈式1OkV電流互感器不需要附加額外的積分電路，計量控制電路也不需要內(nèi)置小型電流互感器，減少了中間接口轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而消除了附加的轉(zhuǎn)換誤差?？招揪€圈CT采用非磁性的環(huán)氧樹脂材料做骨架，在骨架上均勻密繞二次線圈。本實施例中共繞1375匝，圓環(huán)形骨架內(nèi)徑為70mm，外徑為108mm，高4mm。這樣的線圈參數(shù)設(shè)計漏感低，雜波少。參看圖2，本發(fā)明將自適應(yīng)諧波電能計量新技術(shù)和抗諧波分量頻率跟蹤新技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了高精度的諧波計量功能。通過計算諧波的潮流方向，區(qū)分諧波源用戶和非諧波源用戶，進行電能質(zhì)量監(jiān)測，對于諧波源的用戶，計費總電能為基波電能加上其產(chǎn)生的諧波電能；對于非諧波源的用戶，計費總電能為基波電能減去其吸收的諧波電能；利用譜分析結(jié)果，實時自適應(yīng)地調(diào)整帶通濾波器組電路的中心頻率、帶寬、通帶增益等參數(shù)，實現(xiàn)了基波和諧波信號的分離，提高了諧波測量的信噪比，很好地解決了由于諧波分量測量精度低而引起的電能計量誤差大的問題；同時采用抗諧波分量頻率跟蹤新技術(shù)，采用帶通濾波分離基波頻率信號，由鎖相環(huán)電路實時跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，進一步減少了電能計量誤差。圖2中待測信號指電流互感器的二次繞組輸出經(jīng)可編程增益放大器PGAl放大后的信號，或電壓互感器計量繞組輸出信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后的輸出信號。LP為抗混疊濾波器，是簡單的一階RC無源濾波電路。在實施例中BPl的缺省參數(shù)設(shè)置為中心頻率50Hz、 截止頻率為48 Hz和52 Hz ； BP2的截止頻率缺省設(shè)置為10 Hz和2kHz ；LP的截止頻率缺省設(shè)置為5 kHz。諧波信號輸出通道的參數(shù)由計費微處理器控制，具體控制過程為圖3中的譜分析信號輸出，經(jīng)采樣保持電路S/H、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D，傳送給計費微處理器，由微處理器完成譜分析軟件運算，由譜分析結(jié)果確定影響計費的嚴重的諧波分量頻率范圍，即需計量的諧波頻率范圍，依據(jù)此頻率范圍調(diào)整BP2的中心頻率和帶寬以及PGA2的增益。這種調(diào)整過程是根據(jù)諧波分量存在的情況動態(tài)實時進行的，所以稱為自適應(yīng)。由于電網(wǎng)頻率通常會有一定的波動，在一個變化的電網(wǎng)周期內(nèi)，如果采用定時采樣，將不會恰好采集到所需的固定點數(shù)，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差大。為了確保每周期內(nèi)的均勻采樣，本發(fā)明采用了鎖相環(huán)電路進行硬件頻率跟蹤的方法。當(dāng)諧波分量較大時，將使鎖相環(huán)電路不能正常工作。本發(fā)明采用抗諧波分量頻率跟蹤新技術(shù)，電壓信號經(jīng)帶通濾波器抑制諧波分量而保留基波分量輸出，再經(jīng)鎖相環(huán)電路產(chǎn)生采樣脈沖信號，很好地解決了電網(wǎng)頻率波動對電能計量的影響問題，同時避免了由于諧波分量干擾而產(chǎn)生錯誤的采樣脈沖信號。具體原理如圖3所示。在圖3中，電壓互感器計量繞組輸出的電壓信號經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，傳送給帶通濾波器BP (缺省參數(shù)為中心頻率50Hz、截止頻率為48 Hz和52 Hz)，分離出基波分量，再經(jīng)施密特觸發(fā)器SC調(diào)理整形后形成一個與電網(wǎng)基波信號頻率相同的方波信號，該方波信號作為鎖相環(huán)電路的輸入。本實施例采用集成的鎖相環(huán)芯片，鎖相環(huán)電路包括鑒相器、低通環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻電路。采樣脈沖輸出傳送給采樣保持電路。本發(fā)明中的自適應(yīng)帶通濾波器組可以設(shè)置多個帶通濾波器，分別對應(yīng)不同的諧波。本發(fā)明設(shè)備適用于戶外交流50HZ、10kV線路，可同時實現(xiàn)電能計量、防竊電、預(yù)付電費、電能質(zhì)量監(jiān)測、遠程抄表和用電控制、智能報警等功能，具有集成度高、性價比好、體積小、重量輕、便于安裝維護等優(yōu)點。本發(fā)明的計費微處理器采用TI公司的5 系列DSP芯片一TMS320V⑶409，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADI公司的16位高速6通道A/D芯片一AD7656，自適應(yīng)帶通濾波器組采用Maxim 公司的集成濾波器芯片MAX274、費控微處理器采用NXP公司的ARM7高端芯片LPC2478。TMS320VC5409的多通道緩存串口和LPC2478的SPI 口相連接，實現(xiàn)兩個微處理器的數(shù)據(jù)傳輸。
權(quán)利要求
1.一種多功能一體化高壓計量裝置，其特征是，它包括三相電壓互感器、三相電流互感器、計量控制電路和由電動操作機構(gòu)控制的高壓開關(guān)(K)，所述三相電壓互感器和三相電流互感器分別采集高壓供電線路的電壓和電流信號，所述三相電壓互感器和三相電流互感器輸出的信號接計量控制電路的信號輸入端，所述高壓開關(guān)(K)串聯(lián)于高壓供電線路中，其電動操作機構(gòu)的控制端接計量控制電路的控制信號輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能一體化高壓計量裝置，其特征是，所述計量控制電路包括信號調(diào)理電路、自適應(yīng)帶通濾波器組、采樣保持電路(S/H)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)、計費微處理器、費控微處理器、通信電路和繼電器，所述信號調(diào)理電路包括電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和電流可編程增益放大器(PGA1)，所述電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的輸入端接電壓互感器的輸出端，所述可編程增益放大器(PGAl)的輸入端接電流互感器的輸出端，信號調(diào)理電路的選通信號輸出端依次經(jīng)自適應(yīng)帶通濾波器組、采樣保持電路(S/H)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)接計費微處理器的信號輸入端口 ；所述費控微處理器通過通信接口與計費微處理器連接，并通過通信電路與上位機通訊、通過繼電器控制高壓開關(guān)(K)的電動操作機構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多功能一體化高壓計量裝置，其特征是，所述自適應(yīng)帶通濾波器組包括基波帶通濾波器(BP1)、諧波帶通濾波器(BP2)和抗混疊濾波器(LP)，它們的輸入端均接信號調(diào)理電路輸出的待測信號，輸出端依次經(jīng)采樣保持電路(S/H)和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 (A/D)的相應(yīng)通道接計費微處理器，在諧波帶通濾波器(BP2)的輸出端還設(shè)置有諧波可編程增益放大器(PGA2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述多功能一體化高壓計量裝置，其特征是，所述計量控制電路的構(gòu)成中還包括鎖相環(huán)電路，所述鎖相環(huán)電路由鑒相器(PH)、低通環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻電路組成，它們首尾相接成環(huán)形電路，所述鑒相器(PH)的輸入端經(jīng)施密特觸發(fā)器(SC)接自適應(yīng)帶通濾波器組的輸出端，壓控振蕩器(VCO)的輸出端接采樣保持電路(S/H)的采樣脈沖信號輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述多功能一體化高壓計量裝置，其特征是，所述電流互感器采用無鐵芯的空心線圈，線圈匝數(shù)為1375匝，骨架為圓環(huán)形，外徑為108mm，高4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述多功能一體化高壓計量裝置，其特征是，所述電壓互感器的副邊線圈包括計量繞組和供電繞組，所述計量繞組輸出的計量信號分成兩路，一路接信號調(diào)理電路的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，一路接計量控制電路的電源模塊(AC/DC)的輸入端，所述供電繞組的輸出端為高壓開關(guān)(K)的電動操作機構(gòu)供電電源。
全文摘要
一種多功能一體化高壓計量裝置，用于提高計量精度并降低裝置的體積和成本。其技術(shù)方案是它包括三相電壓互感器、三相電流互感器、計量控制電路和由電動操作機構(gòu)控制的高壓開關(guān)，所述三相電壓互感器和三相電流互感器分別采集高壓供電線路的電壓和電流信號，它們輸出的計量信號接計量控制電路的信號輸入端，所述高壓開關(guān)串聯(lián)于高壓供電線路中，其電動操作機構(gòu)的控制端接計量控制電路的控制信號輸出端。本發(fā)明采用一體化設(shè)計,在提高計量精度的同時，還避免了功能器件的重復(fù)設(shè)置，從而有效減小了計量裝置的體積，降低了制造成本。
文檔編號G01R21/133GK102156219SQ201110067769
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者劉繼志, 葉明 申請人:保定市理想電器設(shè)備制造有限公司