專利名稱：數字化電能計量系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電能計量領域，特別是涉及一種數字化電能計量系統。
技術背景在現有電能計量系統中，電壓互感器距離控制室的計量裝置一般都有較遠的距離，所以二次連接導線較長(對于一些500kV變電站，可達800m)，再加 上回路中接有阻值較大的快速開關接點及保險管等，如果負荷電流較大，則由 此引起的二次回路壓降將比較大，因此電壓互感器二次導線壓降引起的計量誤 差在電能計量綜合誤差中往往占最大的比重。電能計量的綜合誤差還包括電壓 互感器的合成誤差、電流互感器的合成誤差以及電能表的誤差，實際中，電壓 互感器二次回路壓降所引起的計量誤差可能會遠遠大于上面所提到的幾種誤 差。這些誤差導致電能計量不準確，往往導致供用電雙方產生爭議。此外，現 有計量裝置的二次回路需要大量電纜，導致施工工作量大，成本高，抗電磁干 擾能力差，傳輸信息量小，多回路時二次回路結構復雜。 發明內容本實用新型的目的是提供一種計量準確、二次回路結構簡單的數字化 電能計量系統。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案 一種數字化電能計量系 統，包括若干電壓電流互感器、二次信號傳輸回路和電能計量裝置，它還包括 若干與各互感器相對應的電能計量模塊、若干與各電能計量模塊相對應的電光 轉換模塊、光纖合并單元、光電轉換與信號處理模塊、數字化集中式電能計量 系統，各電壓電流互感器的輸出端分別和與其相對應的電能計量模塊相連接， 各電能計量模塊的輸出端和與其相對應的電光轉換模塊的輸入端相連接，各電 光轉換模塊的輸出端分別連接一光纖，所有光纖經光纖合并單元合并后通過一 根光纜與光電轉換與信號處理模塊相連接，光電轉換與信號處理模塊將光信號 轉換為數字電信號后其輸出端與數字化集中式電能計量系統相連接，由其對各路信號分別計量和顯示。所述的光電轉換與信號處理模塊由光電轉換模塊、信號處理模塊、數據采 集卡和計算機依次連接組成。所述的電壓電流互感器為電磁式電壓電流互感器。 所述的電壓電流互感器為光電數字式電壓電流互感器。所述的光電數字式電壓電流互感器包括用于串連在高壓母線上的電流取樣 線圈和取能線圈，電流取樣線圈上并接有取樣電阻，電流取樣線圈的電流輸出 端與電能計量模塊相連接，設置于絕緣子內的分壓器取出電壓信號后其輸出端 也與電能計量模塊相連接，電能計量模塊的輸出端與電光轉換模塊的輸入端相 連接，電光轉換模塊的輸出端連接一光纖，該光纖主體設置在絕緣子內并從互感器底座引出，取能線圈輸出端與DC/DC變換模塊輸入端相連接，DC/DC變換 模塊輸出端與電光轉換模塊和電能計量模塊相連接為其提供工作電源。在取能電路中還設置有取能線圈保護電路，DC/DC變換模塊輸出端 輸出端與其相連接后再與電光轉換模塊和電能計量模塊相連接為其提供工 作電源。本實用新型在互感器側對各路出線母線的電能進行計量，以光纜代替電纜 作為二次信號傳輸回路，并配以數字化集中式電能計量系統，進而實現對高壓 電能的數字化準確計量，能夠有效解決目前高壓電能計量裝置綜合誤差過大的 難題。同時，本實用新型還可采用光電數字式電壓、電流互感器代替傳統電磁 式電壓、電流互感器采集高壓信號，具有測量準確度高、測量動態范圍大、二 次輸出為數字信號等特點，并具有絕緣結構簡單、體積小、重量輕等優點。本 實用新型將高壓電壓電流信號進行數字化處理后，通過光纖以光的方式進行傳 輸，由于光纖具有優良的電絕緣性能，所以整個信號傳輸過程不會引入額外誤 差。此外，將所有互感器輸出的光纖在互感器側進行合并，最后由一根光纜送 至控制室，能夠大大簡化二次信號傳輸回路并大大減輕現場施工工作量。
圖1是本實用新型采用光電數字式電壓電流互感器時的整體方框圖；圖2是光電轉換與信號處理模塊的原理方框圖； 圖3是光電數字式電壓電流互感器的結構示意圖； 圖4是光電數字式電壓電流互感器的取樣原理示意圖； 圖5是本實用新型采用傳統電磁式電壓電流互感器的整體方框圖。
具體實施方式
如圖1所示，數字化電能計量系統包括若干電壓電流互感器、二次信號傳 輸回路和電能計量裝置，它還包括若干與各互感器相對應的電能計量模塊、若 干與各電能計量模塊相對應的電光轉換模塊、光纖合并單元、光電轉換與信號 處理模塊、數字化集中式電能計量系統，各電壓電流互感器的輸出端分別和與 其相對應的電能計量模塊相連接，各電能計量模塊的輸出端和與其相對應的電 光轉換模塊的輸入端相連接，各電光轉換模塊的輸出端分別連接一光纖，所有 光纖經光纖合并單元合并后通過一根光纜與光電轉換與信號處理模塊相連接， 光電轉換與信號處理模塊將光信號轉換為數字電信號后其輸出端與數字化集中 式電能計量系統相連接，由其對各路信號分別計量和顯示。如圖2所示，光電轉換與信號處理模塊由光電轉換模塊7、信號處理模塊8、 數據采集卡9和計算機10依次連接組成。光電轉換模塊可選用型號HFBR2412， 信號處理模塊可選用Altera公司EPM1270144T，為數據采集卡可選用美國NI 公司6013。如圖3所示，光電數字式電壓電流互感器包括用于串連在高壓母線2上的 電流取樣線圈l.l和取能線圈1.5，電流取樣線圈1.1上并接有取樣電阻1.2，電 流取樣線圈1.1的電流輸出端與電能計量模塊1.3相連接，設置于絕緣子4內的 分壓器5取出電壓信號后其輸出端也與電能計量模塊1.3相連接，電能計量模塊 1.3的輸出端與電光轉換模塊1.4的輸入端相連接，電光轉換模塊1.4的輸出端 連接一光纖3，該光纖主體設置在絕緣子4內并從互感器底座6引出，取能線圈 1.5輸出端與DC/DC變換模塊1.7輸入端相連接，DC/DC變換模塊輸出端1.7 與電光轉換模塊1.4和電能計量模塊1.3相連接為其提供工作電源。為了保護取 能電路，在取能電路中還可設置取能線圈保護電路1.6，此時DC/DC變換模塊 輸出端1.7輸出端與其相連接后再與電光轉換模塊1.4和電能計量模塊1.3相連 接為其提供工作電源。電能計量模塊可選用型號ADE7759，電光轉換模塊可選用型號為HFBR1414。電流取樣線圈1.1和分壓器6分別對電流和電壓取樣，輸入電能計量模塊 1.3，由電能計量模塊對母線的電能進行計量，然后由電光轉換模塊1.4把電信 號轉換為數字光信號由光纖輸出。所有路出線的各母線引出的光纖由光纖合并 單元進行合并由一根光纜輸出至光電轉換與信號處理模塊，由光電轉換模塊7 將光信號轉換為數字電信號，由信號處理模塊8進行處理，由數據采集卡9采 集后入計算機10內，最后由計量存儲與顯示模塊存儲顯示。本實用新型還可將 計量的電能信號通過網絡進行傳輸，由網絡遠程監測單元對不同計量站實施統 一管理與監控。本實用新型中三相光電數字式電壓、電流互感器的二次輸出為數字式光信 號，該信號通過光纖傳至位于互感器側的光纖合并單元，將所有互感器的輸出 光纖進行整合，通過一根光纜送至位于控制室的數字化集中式電能計量系統。 這種處理方式能夠大大簡化二次信號傳輸通道，給現場施工帶來極大的方便。 控制室內的數字化集中式電能計量系統屬已有成熟技術。圖1中的數字化集中式電能計量系統可完成對多個出線的電能計量任務， 其輸入為光信號，通過高速以太網接口引入。由于數字化電能計量系統的輸入 為數字信號，不存在小CT/PT及A/D轉換等單元，通過采用先進的數字信號處 理算法，其電能計量準確度可以大大提高。高壓電能數字化計量系統的電能計 量精度主要取決于光電數字式互感器的測量準確度。可對多出線回路中各回路 的正向/反向總有功/無功、各回路的正向/反向單相有功/無功進行計量，可測量 總計A、 B、 C三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數及電網頻率， 并可以顯示功率方向。另夕卜，當一相電壓幅值低于60XUn，對應相電流大于10XIb時，判斷該相 為失壓狀態。系統可記錄該相失壓累計時間和失壓期間所計該相有功電量，并 保存至少最近10次失壓記錄；當一相電流幅值低于10%Un，對應相電壓大于 60%Ib時，判斷該相為失流狀態，系統可記錄該相失流累計時間和失流期間所 計該相有功電量，并保存至少最近10次失流記錄；當一相電壓幅值低于60% Un，對應相電流小于10%Ib時，判斷該相為斷相狀態。保存至少最近10次斷 相記錄；設定電量考核范圍，當一相電量在1分鐘內的平均值高于或低于該考核范圍，認為輸入的電量值無效。保存至少最近10次無效記錄；可對光電數字 式互感器的運行狀態及電能計量模塊的自身狀態進行動態自檢，并自動存儲檢 測結果。本實用新型可提供無源四路脈沖輸出和無源三路測試脈沖輸出，四路脈沖 輸出可獨立編程為正向有功、反向有功或四象限無功或感容性無功中的任意一 種。三路測試脈沖具有同一公共端，分別固定為有功電能脈沖、無功電能脈沖 及內部時鐘脈沖。本實用新型的信號傳輸均采用光通過光纖進行傳播的方式，完全舍棄通過 電纜的電信號傳輸方式，使系統的安全可靠性、抗電磁干擾能力等大大提高，并且不產生電磁干擾。數字輸入接口在物理層和鏈路層上采用了 IEC61850推薦的高速光纖以太網，具有抗干擾能力強、傳輸數據速率快、接口簡潔等特點。光電數字式電壓電流互感器具有測量準確度高、測量動態范圍大、二次輸 出為數字信號等特點，并具有絕緣結構簡單、體積小、重量輕等優點。光電數字式電流互感器采用具有不飽和特性的Rogowski線圈或LPCT作為高壓側傳感 單元，通過信號調理、A/D變換與電光轉換后生產數字化光信號，依據 正C61850-9-2和IEC60044-8標準規定的通信格式將該信號送至合并單元，該電 流互感器能夠完全克服電磁式電流互感器固有的磁飽和問題，并且測量動態范 圍大，絕緣中無油、無氣，體積小、重量輕。光電數字式電壓互感器采用性能 優良的阻容分壓器作為高壓側傳感單元，通過信號調理、A/D變換與電光轉換 后生產數字化光信號，依據IEC61850-9-2和IEC60044-8標準規定的通信格式將 該信號送至合并單元，該電壓互感器能夠完全克服電磁式電壓互感器的鐵磁諧 振問題，并且體積小、重量輕。數字化電能計量系統接收來自光電數字式電壓電流互感器傳送過來的數字 化的電壓、電流瞬時值，可保證計算出的各項電量值的準確性，在理論上誤差 可做到最低。數字化高壓電能計量系統雖然同現有計量系統具有類似的功能特點，但是 由于它采用的是將高壓電壓、電流信號直接進行數字化處理并通過光的形式以光纖為通道進行傳輸的方式，在電能計量過程中不存在額外的模擬量中間轉換 環節，所以在測量準確度方面數字化電能計量系統要大大優于現有測量裝置。如圖5所示，本實用新型還可以采用傳統的電磁式電壓電流互感器對電壓、 電流進行取樣，之后進行電光轉換并進行計量，系統構成和采用光電數字式電 壓電流互感器的計量系統相同。數字化電能計量系統綜合誤差可達0.4%，較傳統計量方式的0.7%至少會提 高0.3%。實際中，光電數字式電流互感器可做到0.1S級、光電數字式電壓互感 器為0.2級，整體綜合誤差可到0.3%。
權利要求1. 一種數字化電能計量系統，包括若干電壓電流互感器、二次信號傳輸回路和電能計量裝置，其特征在于，它還包括若干與各互感器相對應的電能計量模塊、若干與各電能計量模塊相對應的電光轉換模塊、光纖合并單元、光電轉換與信號處理模塊、數字化集中式電能計量系統，各電壓電流互感器的輸出端分別和與其相對應的電能計量模塊相連接，各電能計量模塊的輸出端和與其相對應的電光轉換模塊的輸入端相連接，各電光轉換模塊的輸出端分別連接一光纖，所有光纖經光纖合并單元合并后通過一根光纜與光電轉換與信號處理模塊相連接，光電轉換與信號處理模塊將光信號轉換為數字電信號后其輸出端與數字化集中式電能計量系統相連接，由其對各路信號分別計量和顯示。
2、 如權利要求1所述的數字化電能計量系統，其特征在于，所述的光電轉 換與信號處理模塊由光電轉換模塊、信號處理模塊、數據采集卡和計算機依次 連接組成。
3、 如權利要求1或2所述的數字化電能計量系統，其特征在于，所述的電 壓電流互感器為電磁式電壓電流互感器。
4、 如權利要求1或2所述的數字化電能計量系統，其特征在于，所述的電 壓電流互感器為光電數字式電壓電流互感器。
5、 如權利要求4所述的數字化電能計量系統，其特征在于，所述的光電數 字式電壓電流互感器包括用于串連在高壓母線上的電流取樣線圈和取能線圈， 電流取樣線圈上并接有取樣電阻，電流取樣線圈的電流輸出端與電能計量模塊 相連接，設置于絕緣子內的分壓器取出電壓信號后其輸出端也與電能計量模塊 相連接，電能計量模塊的輸出端與電光轉換模塊的輸入端相連接，電光轉換模 塊的輸出端連接一光纖，該光纖主體設置在絕緣子內并從互感器底座引出，取 能線圈輸出端與DC/DC變換模塊輸入端相連接，DC/DC變換模塊輸出端與電光 轉換模塊和電能計量模塊相連接為其提供工作電源。
6、 如權利要求5所述的數字化電能計量系統，其特征在于，在取能電路中 還設置有取能線圈保護電路，DC/DC變換模塊輸出端輸出端與其相連接后再與 電光轉換模塊(1.4)和電能計量模塊(1.3)相連接為其提供工作電源。
專利摘要本實用新型涉及一種數字化電能計量系統，各電壓電流互感器的輸出端分別和與其相對應的電能計量模塊相連接，各電能計量模塊的輸出端和與其相對應的電光轉換模塊的輸入端相連接，各電光轉換模塊的輸出端分別連接一光纖，所有光纖經光纖合并單元合并后通過一根光纜與光電轉換與信號處理模塊相連接，光電轉換與信號處理模塊將光信號轉換為數字電信號后其輸出端與數字化集中式電能計量系統相連接。本實用新型以光纜代替電纜作為二次信號傳輸回路，實現對高壓電能的數字化準確計量，能夠有效解決目前高壓電能計量裝置綜合誤差過大的難題，大大簡化二次信號傳輸回路并大大減輕現場施工工作量。
文檔編號G01R22/10GK201126447SQ200720091099
公開日2008年10月1日 申請日期2007年7月20日 優先權日2007年7月20日
發明者陳光風 申請人:鄭州精科電力自動化有限公司