數(shù)字式電能表功耗測量裝置的工作原理及設計

今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權(quán)專利——一種數(shù)字式電能表功耗測量裝置及方法。該專利由國家電網(wǎng)公司申請，并于2017年4月19日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明涉及一種數(shù)字式電能表功耗測量裝置及方法。

發(fā)明背景

智能變電站計量回路中，電子式互感實現(xiàn)電壓、電流信號的采集、編碼和串行傳輸，由合并單元對采樣序列進行組幀、打包處理，依據(jù)IEC 61850規(guī)約傳輸采樣數(shù)據(jù)，由數(shù)字式電能表對合并單元的數(shù)據(jù)包進行解析、計算，得到有功電能和無功電能值。隨著我國智能變電站的全面推廣，電能計量設備數(shù)字式水平越來越高，數(shù)字式電能表準確度高、功能強大的優(yōu)點使之得到了越來越廣泛的應用，但由于采用了光纖接口、以太網(wǎng)芯片等元器件，數(shù)字式電能表工作狀態(tài)的功率消耗遠遠高于傳統(tǒng)電能表，尤其在高速通信狀態(tài)下、運算量較大時，某些型號數(shù)字式電能表瞬時功率消耗可達20W以上，約為傳統(tǒng)電能表的3倍，當安裝環(huán)境散熱不當時，將引起電能表殼體的溫升，影響電能表計量準確度和安全穩(wěn)定運行，因此對數(shù)字式電能表工作時的功耗進行測量十分必要。傳統(tǒng)測量功耗采用的是萬用表法，即把萬用表調(diào)到功率檔，將其電壓測量元件與被測電能表供電電壓并聯(lián)，電流測量元件串入供電回路中，人工讀取萬用表顯示的功率值。

該方法接線較復雜，且容易將電壓、電流線接反，導致設備損壞和試驗人員危險，同時測量時電能表并未通信和計量，處于待機狀態(tài)，測量到的是靜態(tài)功耗，而數(shù)字式電能表在通信和計量狀態(tài)下的動態(tài)功耗要遠高于待機時的靜態(tài)功耗，因此傳統(tǒng)方法測量的功耗值比電能表正常工作時的功耗值偏小，從而導致測試結(jié)果的誤判。另一方面，由于電能表交流電源回路中電壓、電流并非理想正弦波，存在各種諧波成分，傳統(tǒng)的測量方法往往只針對電壓、電流基波幅值，不能對交流電源的各次諧波進行有效分析，以至于不能合理地確定數(shù)字式電能表交流電源電能質(zhì)量是否符合要求。因此，有必要研究一種數(shù)字式電能表功耗測量的新方法，實現(xiàn)對數(shù)字式電能表在計量和待機狀態(tài)下動態(tài)功耗的測量和諧波功率測量，從而對數(shù)字式電能表的功耗指標進行有效檢測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有數(shù)字式電能表本身功耗普遍偏大，且無有效手段對其在計量和通信狀態(tài)下的動態(tài)功耗進行實時測量的難題，提供一種適合實驗室檢測的數(shù)字電能表功耗測量方法和實現(xiàn)裝置。采用本發(fā)明可對智能變電站中數(shù)字式電能表的實時功率消耗進行測量，分析其在不同工作狀態(tài)下的功耗情況，為數(shù)字式電能表電氣性能指標評價提供有效手段，保證數(shù)字式電能表的高效率運行。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種數(shù)字式電能表功耗測量裝置，包括采樣單元、信號調(diào)理單元和處理控制單元，所述的采樣單元連接被測數(shù)字式電能表所檢測的電源回路并采集電源回路電壓和電流信號，所述的信號調(diào)理單元連接采樣單元并對所采集的電源回路電壓和電流信號進行放大、濾波，并將電壓、電流信號模擬量轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量，所述的處理控制單元連接信號調(diào)理單元，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號并計算得到被測數(shù)字式電能表的功耗。

所述的一種數(shù)字式電能表功耗測量裝置，還包括通信接口，處理控制單元通過通信接口連接被測數(shù)字式電能表并控制被測數(shù)字式電能表在待機狀態(tài)和計量狀態(tài)間切換。所述的采樣單元包括電流傳感器和電壓傳感器，所述的電流傳感器和電壓傳感器分別連接被測數(shù)字式電能表所檢測的電源回路，并分別采集電源回路電壓和電流信號模擬量。所述的信號調(diào)理單元包括依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換器，所述的放大電路連接采樣單元，并將采樣單元所采集的電壓和電流信號模擬量放大后經(jīng)濾波電路濾波，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器連接處理控制單元并將數(shù)字量發(fā)送至處理控制單元。所述的處理控制單元包括DSP控制器、存儲器、人機接口、時鐘電路和復位電路，所述的DSP控制器連接信號調(diào)理單元并接收轉(zhuǎn)換后的電壓和電流數(shù)字量，DSP控制器同時通過通信接口連接被測數(shù)字式電能表并控制被測數(shù)字式電能表在待機狀態(tài)和計量狀態(tài)間切換，分別得到不同狀態(tài)下的電壓、電流信號并通過計算得到功耗，DSP控制器通過連接存儲器來存儲測量數(shù)據(jù)，DSP控制器通過連接人機接口輸出功耗計算結(jié)果，DSP控制器通過連接時鐘電路和復位電路得到時鐘信號和復位信號。

一種數(shù)字式電能表功耗測量方法，設置采樣單元、信號調(diào)理單元和處理控制單元，所述的采樣單元連接被測數(shù)字式電能表所檢測的電源回路并采集電源回路電壓和電流信號，所述的信號調(diào)理單元連接采樣單元并對所采集的電源回路電壓和電流信號進行放大、濾波，并將電壓、電流信號模擬量轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量，所述的處理控制單元連接信號調(diào)理單元，將時域信號通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號并通過計算得到被測數(shù)字式電能表的功耗。

所述的一種數(shù)字式電能表功耗測量方法，處理控制單元通過設置通信接口連接被測數(shù)字式電能表并控制被測數(shù)字式電能表在待機狀態(tài)和計量狀態(tài)間切換，以檢測被測數(shù)字式電能表在待機狀態(tài)和計量狀態(tài)的功耗。當檢測被測數(shù)字式電能表計量狀態(tài)功耗時，處理控制單元通過通信接口向被測電能表發(fā)送電壓、電流數(shù)據(jù)幀，被測數(shù)字式電能表對所接收的電壓、電流數(shù)據(jù)幀進行計量，處理控制單元測量被測數(shù)字式電能表在計量時的功耗，檢測被測數(shù)字式電能表待機狀態(tài)功耗時，處理控制單元停止發(fā)送電壓、電流數(shù)據(jù)幀，被測數(shù)字式電能表停止計量進入待機狀態(tài)，處理控制單元測量被測數(shù)字式電能表在待機時的功耗。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于，采用通信接口與被測數(shù)字式電能表實時通信，可在數(shù)字式電能表的“計量模式”和“待機模式”下，實時采集被測數(shù)字式電能表電源回路電壓、電流信號，采用快速傅里葉頻域變換技術(shù)可以準確地分析出被測數(shù)字式電能表在“計量模式”和“待機模式”的實時功率消耗值，以判定其功耗是否符合相關(guān)技術(shù)要求。該方法比用普通萬用表僅測量電能表靜態(tài)功耗的方法更具科學性，且具有更高的準確度，避免了復雜的接線和觸電危險，測試過程全自動化，能夠?qū)崟r測量靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗，對被測數(shù)字式電能表交流電源電能質(zhì)量進行有效評價，確保智能變電站設備的節(jié)能和可靠運行。