CN107064625A - 一种三相四线制高压电能表及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种三相四线制高压电能表及测量方法，包括高压直接计量组件、三相电能综合单元，所述的高压直接计量组件由A相高压直接计量组件、B相高压直接计量组件、C相高压直接计量组件组成，且A相高压直接计量组件与电能表的A相连接、B相高压直接计量组件与电能表的B相连接、C相高压直接计量组件与电能表中的C相连接，并完成单相的电量测量和电能计量；所述的三相电能综合单元与A相高压直接计量组件、B相高压直接计量组件、C相高压直接计量组件相连接，并实时采集各组件的电量数据和电能数据；本发明适用于6kV及以上各类高压电网，具有良好的经济性和更高准确度等级。
Description
技术领域
本发明属于高压电能表技术领域，尤其涉及一种三相四线制高压电能表及测量方法。
背景技术
现有的高压电能计量方案为传统电磁式电压互感器（PT）和电流互感器（CT）以及三相多功能电能表共同组成高压计量箱或者高压计量柜实现高压电能计量。也有采用三相三线方式实现的高压直接电能计量技术系统。在高压电能计量领域，计量系统的整体误差定义、小型化、数字化、低能耗、防窃电是主要的发展方向。
传统方案：采用两组高压CT、两组高压PT和三相多功能电能表组成高压计量系统。如附图1所示。
如附图2所示，高压电能表采用三相三线制两元件法进行测量，在A-B相间和C-B相间安装高压分压器，A相和C相上均安装有低功耗电流互感器和高压单相电能计量单元。B相电能综合单元实时累加出三相总的电量数据并存储，同时实现复费率、需量等多功能信息管理。其缺陷在于：
1）、针对电网的中性点接地系统或者小电阻接地，完全不能保证计量准确性。即使是中性点不接地系统，电网也大多采用了消弧线圈接地，只要电网有接地保护的时候，计量功能将不再满足基本准确度等级要求。
2）、除去接地方式导致上述技术方案不能正常适用之外。在35kV及以上电压等级下，由于电气绝缘距离的加大，产品要做成一体化整体结构，上述技术所实现的装置系统将异常庞大，不方便安装，并且不具有经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于单相高压直接计量组件的三相四线制高压电能表及测量方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，包括高压直接计量组件、三相电能综合单元，所述的高压直接计量组件由A相高压直接计量组件、B相高压直接计量组件、C相高压直接计量组件组成，且A相高压直接计量组件与电能表的A相连接、B相高压直接计量组件与电能表的B相连接、C相高压直接计量组件与电能表中的C相连接，并完成单相的电量测量和电能计量；所述的三相电能综合单元与A相高压直接计量组件、B相高压直接计量组件、C相高压直接计量组件相连接，并实时采集各组件的电量数据和电能数据。
作为优选，所述的三相电能综合单元与A相高压直接计量组件、B相高压直接计量组件、C相高压直接计量组件之间采用通讯信道方式相连接，在需要考虑高压电气隔离的应用场合采用光纤通信或者无线通信方式，在无需考虑电气隔离的应用场合则采用任意形式通讯信道。
作为优选，所述的通讯信道的链路方式为三相电能综合单元为主站，A、B、C三相高压直接计量组件各组件为从站的主-从结构的半双工通信方式。
作为优选，所述的高压直接计量组件包括电子式电流互感器、电子式电压互感器、单相高压计量单元、等电位供电单元；其中，电子式电流互感器采用LPCT或者Rogowski线圈，其二次接口与单相高压计量单元的接口相连接；电子式电压互感器采用电阻分压器、电容分压器或者阻容分压器，其二次接口所输出的U1测量信号接入在单相高压计量单元的接口，所输出的U2供电输出接入在等电位供电单元内；单相高压计量单元所输出的U3供电输出接入在等电位供电单元内。
作为优选，所述的单相高压计量单元包括MCU主控芯片、及分别与MCU主控芯片相连接计量芯片、存储芯片、时钟芯片、通讯模块、硬件看门狗、脉冲输出光电口。
作为优选，所述的三相电能综合单元包括用于连接A相、B相、C相高压直接计量组件的串口，主控MCU，上行串口，脉冲输出口，以及依据实际需要配置的液晶显示、GPRS/4G通讯、按键的辅助功能部件。
一种采用如上述的的三相四线制高压电能表的测量方法，该测量方法包括如下步骤：
1）、A相高压直接计量组件、B相高压直接计量组件、C相高压直接计量组件分别完成电能表中的A、B、C三相的电量采集，并通过MCU主控芯片实时发送A、B、C三相的电量请求帧；
2）、三相电能综合单元实时接收对应该请求帧的A、B、C三相电量数据包，获取A、B、C三相的电压、电流、功率、功率因数、时间段内的电能，解包成功后做好上一包读取状态正常的记录字；
3）、三相电能综合单元针对实时接收到的数据包进行进一步计算，包括A、B、C三相总的有功、无功电能量计算，A、B、C三相总的功率、总功率因数的计算。
作为优选，所述的MCU主控芯片检测到上一包读取状态字为不正常读取状态，则在下一次发送电量请求帧的时候，控制码为数据项需更新的请求命令，数据项更新的方法为瞬时量数据用新的数据，累加电量数据进行累加。
作为优选，所述的三相电能综合单元与A相、B相、C相高压直接计量组件之间的累加电量数据发送频率采用两个电量累加数据传送的时间间隔进行设定。
本发明的有益效果为：
1、本方法适用于10kV及以上各类电压等级各类电网系统接地运行方式下的计量；传统的三相三线计量方式不适用于中性点非绝缘系统，由于不能保证三相电流之和（即：零序电流）一直为零，计量方法在理论上不能成立，同时，更高电压等级下，各相之间的电气距离变得更大，三相三线计量需要跨相间进行电压采样，这是难以实现的，本方法因而具有广泛应用价值；
2、在输变电和配电高压系统中，采用传统电磁式互感器技术则是无法做到小型化和灵活应用的，本方法采用高压直接计量组件，消除了传统互感器的一二次绝缘设计和空间使用，大幅减小了高压计量装置的体积和重量，也大大高压计量装置的运行能耗；
3、本方法实现的高压大电流的计量装置整体误差定义，而不是传统计量装置中各个部件设备的误差单独定义；传统高压计量装置采用将电压互感器、电流互感器、电能表、二次压降等各部件的检定误差数据，采用计算公式得出综合误差，采用综合误差来评定装置的整体计量性能；而在这种传统计量方法中，电流互感器的检定是在低电压条件下的，而实际运行工况是在高电压条件下，这给计量系统的准确度带来了不确定性；同时，电压互感器与电流互感器在工作状态下的相互影响量，无法采用实际检测手段来量化误差数值；本方法实现的整体误差定义是计量装置的真实运行误差数据，提高了高压大电流电能计量的准确度，更便于计量法制化管理；
4、本方法设计的整体方案中高压绝缘部分只有高压单相直接计量组件中的电子式电压互感器，电子式电流互感器无需进行绝缘设计，二次计量回路处于一次等电位之中，与传统高压计量装置相比大大简化了绝缘设计，明显提高高压整体可靠性；
5、没有采用电磁式电压互感器，避免了铁磁谐振事故隐患，既提高了计量装置可靠性，也保证了电网运行中的安全。
附图说明
图1是现有的高压电能表计量系统结构示意图。
图2是现有的高压电能表测量方案结构示意图。
图3是本发明的高压电能表计量系统结构示意图。
图4是本发明的高压直接计量组件结构示意图。
图5是本发明的单相高压计量单元结构示意图。
图6是本发明的典型实施例方案结构示意图。
附图中的标号分别为：1、A相高压直接计量组件；2、B相高压直接计量组件；3、C相高压直接计量组件；4、三相电能综合单元；11、电子式电流互感器；12、电子式电压互感器；13、单相高压计量单元；14、等电位供电单元；131、MCU主控芯片；132、计量芯片；133、存储芯片；134、时钟芯片；135、通讯模块；136、硬件看门狗；137、脉冲输出光电口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图3所示，本发明包括高压直接计量组件、三相电能综合单元4，所述的高压直接计量组件由A相高压直接计量组件1、B相高压直接计量组件2、C相高压直接计量组件3组成，且A相高压直接计量组件1与电能表的A相连接、B相高压直接计量组件2与电能表的B相连接、C相高压直接计量组件3与电能表中的C相连接，并完成单相的电量测量和电能计量；所述的三相电能综合单元4与A相高压直接计量组件1、B相高压直接计量组件2、C相高压直接计量组件3相连接，并实时采集各组件的电量数据和电能数据。
所述的三相电能综合单元4与A相高压直接计量组件1、B相高压直接计量组件2、C相高压直接计量组件3之间采用通讯信道方式相连接，在需要考虑高压电气隔离的应用场合采用光纤通信或者无线通信方式，在无需考虑电气隔离的应用场合则采用任意形式通讯信道。
所述的通讯信道的链路方式为三相电能综合单元4为主站，A、B、C三相高压直接计量组件各组件为从站的主-从结构的半双工通信方式。
如附图4所示，所述的高压直接计量组件包括电子式电流互感器11、电子式电压互感器12、单相高压计量单元13、等电位供电单元14；其中，电子式电流互感器11采用LPCT或者Rogowski线圈，其二次接口与单相高压计量单元13的接口相连接，二次接口只要匹配单相高压计量单元的采样要求即可，可不完全遵照IEC60044-7标准的规范接口定义来；电子式电压互感器12采用电阻分压器、电容分压器或者阻容分压器，其二次接口所输出的U1测量信号接入在单相高压计量单元13的接口，所输出的U2供电输出接入在等电位供电单元14内；单相高压计量单元13所输出的U3供电输出接入在等电位供电单元14内。
如附图5所示，所述的单相高压计量单元13包括MCU主控芯片131、及分别与MCU主控芯片131相连接的计量芯片132、存储芯片133、时钟芯片134、通讯模块135、硬件看门狗136、脉冲输出光电口137；单相高压计量单元13的主要功能是进行电压、电流信号的采样和数字式时分割乘法进行功率和电能量计算，同时还包括数据上行通讯。
所述的三相电能综合单元4包括用于连接A相、B相、C相高压直接计量组件的串口，主控MCU，上行串口，脉冲输出口，以及依据实际需要配置的液晶显示、GPRS/4G通讯、按键的辅助功能部件。
一种采用所述的三相四线制高压电能表的测量方法，该测量方法包括如下步骤：
1）、A相高压直接计量组件1、B相高压直接计量组件2、C相高压直接计量组件3分别完成电能表中的A、B、C三相的电量采集，并通过MCU主控芯片131实时发送A、B、C三相的电量请求帧；
2）、三相电能综合单元4实时接收对应该请求帧的A、B、C三相电量数据包，获取A、B、C三相的电压、电流、功率、功率因数、时间段内的电能，解包成功后做好上一包读取状态正常的记录字；
3）、三相电能综合单元4针对实时接收到的数据包进行进一步计算，包括A、B、C三相总的有功、无功电能量计算，A、B、C三相总的功率、总功率因数的计算。
所述的MCU主控芯片131检测到上一包读取状态字为不正常读取状态，则在下一次发送电量请求帧的时候，控制码为数据项需更新的请求命令，数据项更新的方法为瞬时量数据用新的数据，累加电量数据进行累加；这样可避免累加量丢失的问题。
三相电能综合单元4与A相、B相、C相高压直接计量组件之间的累加电量数据发送频率需要进行设定。相互电量累加数据的传递时间间隔太短，则通讯主站的三相电能综合单元4和从站的A相、B相、C相高压直接计量组件的正常任务处理难以完成，间隔如太长则累加数据更新难免不及时，不适应使用者的要求。两个电量累加数据传送的时间间隔，作为三相电能综合单元4给A相、B相、C相高压直接计量组件进行设置的具体参数。比如，可预先设置1分钟各相组件向综合单元发送一次电量数据。
任务包括：对时任务、实时数据任务、累加电量数据任务。
累加电量数据应包括电量对应的记录时间，具体格式：
时间：YYYY-MM-DD-HH-MM-SS，比如20160404245959，
有功电量：正向、反向，
无功电量：正向、反向。
所述的数据包的格式，依照先后顺序为：帧头、地址码、控制码、数据长度、数据内容、校验和、帧尾。具体的帧头、帧尾、地址码、控制码、数据内容格式可以自主定义，也可参照相应通信协议规范。
本测量方法的典型的技术实施方案如下：如附图6所示，
三个10kV单相高压直接计量组件分别完成A、B、C三相的电量采集，三相电能综合单元通过RF无线方式与各单相高压直接计量组件通讯，实时获得各相的电量数据，实时累加三相总的电能量，实时监测各项的瞬时量数据。三相高压计量的整体误差由各单相高压直接计量组件决定，10kV高压计量的整体误差可达到0.2S级。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种三相四线制高压电能表，包括高压直接计量组件、三相电能综合单元（4），其特征在于：所述的高压直接计量组件由A相高压直接计量组件（1）、B相高压直接计量组件（2）、C相高压直接计量组件（3）组成，且A相高压直接计量组件（1）与电能表的A相连接、B相高压直接计量组件（2）与电能表的B相连接、C相高压直接计量组件（3）与电能表中的C相连接，并完成单相的电量测量和电能计量；所述的三相电能综合单元（4）与A相高压直接计量组件（1）、B相高压直接计量组件（2）、C相高压直接计量组件（3）相连接，并实时采集各组件的电量数据和电能数据。
2.根据权利要求1所述的三相四线制高压电能表，其特征在于：所述的三相电能综合单元（4）与A相高压直接计量组件（1）、B相高压直接计量组件（2）、C相高压直接计量组件（3）之间采用通讯信道方式相连接，在需要考虑高压电气隔离的应用场合采用光纤通信或者无线通信方式，在无需考虑电气隔离的应用场合则采用任意形式通讯信道。
3.根据权利要求2所述的三相四线制高压电能表，其特征在于：所述的通讯信道的链路方式为三相电能综合单元（4）为主站，A、B、C三相高压直接计量组件各组件为从站的主-从结构的半双工通信方式。
4.根据权利要求1所述的三相四线制高压电能表，其特征在于：所述的高压直接计量组件包括电子式电流互感器（11）、电子式电压互感器（12）、单相高压计量单元（13）、等电位供电单元（14）；其中，电子式电流互感器（11）采用LPCT或者Rogowski线圈，其二次接口与单相高压计量单元（13）的接口相连接；电子式电压互感器（12）采用电阻分压器、电容分压器或者阻容分压器，其二次接口所输出的U1测量信号接入在单相高压计量单元（13）的接口，所输出的U2供电输出接入在等电位供电单元（14）内；单相高压计量单元（13）所输出的U3供电输出接入在等电位供电单元（14）内。
5.根据权利要求4所述的三相四线制高压电能表，其特征在于：所述的单相高压计量单元（13）包括MCU主控芯片（131）、及分别与MCU主控芯片（131）相连接的计量芯片（132）、存储芯片（133）、时钟芯片（134）、通讯模块（135）、硬件看门狗（136）、脉冲输出光电口（137）。
6.根据权利要求1所述的三相四线制高压电能表，其特征在于：所述的三相电能综合单元（4）包括用于连接A相、B相、C相高压直接计量组件的串口，主控MCU，上行串口，脉冲输出口，以及依据实际需要配置的液晶显示、GPRS/4G通讯、按键的辅助功能部件。
7.一种采用如权利要求1所述的三相四线制高压电能表的测量方法，其特征在于：该测量方法包括如下步骤：
1）、A相高压直接计量组件（1）、B相高压直接计量组件（2）、C相高压直接计量组件（3）分别完成电能表中的A、B、C三相的电量采集，并通过MCU主控芯片（131）实时发送A、B、C三相的电量请求帧；
2）、三相电能综合单元（4）实时接收对应该请求帧的A、B、C三相电量数据包，获取A、B、C三相的电压、电流、功率、功率因数、时间段内的电能，解包成功后做好上一包读取状态正常的记录字；
3）、三相电能综合单元（4）针对实时接收到的数据包进行进一步计算，包括A、B、C三相总的有功、无功电能量计算，A、B、C三相总的功率、总功率因数的计算。
8.根据权利要求7所述的三相四线制高压电能表的测量方法，其特征在于：所述的MCU主控芯片（131）检测到上一包读取状态字为不正常读取状态，则在下一次发送电量请求帧的时候，控制码为数据项需更新的请求命令，数据项更新的方法为瞬时量数据用新的数据，累加电量数据进行累加。
9.根据权利要求7所述的三相四线制高压电能表的测量方法，其特征在于：所述的三相电能综合单元（4）与A相、B相、C相高压直接计量组件之间的累加电量数据发送频率采用两个电量累加数据传送的时间间隔进行设定。
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