CN113253188A - 一种数字式电能质量检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电能质量模组检测方法及装置，通过设定需要的电压、电流等电量信息，由第一微处理器MCU1计算后输出相应的数字量，转换成对应的电量输出，通过电压取样或者宽频直流比较仪取样将输出的电压或者电流反馈回来，采用AD采集取样电路的模拟量，并将其转换为数字量，送入微处理器处理后与之前设定数字量进行比较，调节输出信号使系统达到平衡，使输出达到预期设置的电压、电流等电量,数字量的输出则是以MCU1与FPGA1的最终输出为基础，计算机通过RS232接口连入第一微处理器MCU1方便对数字量进行控制处理，将相应的数字量，通过第二微处理器MCU2处理后经第二现场可编程门阵列FPGA2控制打包传输给数字量输出接口，从而使输出达到预期设置的数字量输出。

Description

一种数字式电能质量检测方法及装置

技术领域

本发明属于电能计量领域，具体涉及一种适用于智能物联电能表电能质量模组的检测方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，直流输电、大功率单相整流技术在工业部门和用电设备上被广泛应用，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些典型非线性、冲击性和波动性的负荷将造成电网发生波形畸变(谐波)、电压波动、闪变、三相不平衡、非对称性，使得电网电能质量严重降低。同时，基于计算机，微处理器控制的精密电子仪器在国民经济企业中大量使用，对供电质量的敏感程度越来越高，对电能质量提出了更高的要求，从而使电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究的热点。要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。这就对电压、电流的谐波畸变、基波频率偏移对谐波量的影响、三相不平衡度、闪变等稳态参数，以及电压暂升、电压暂降、短时中断的暂态参数的试验有了新的要求。

而且随着智能物联电能表的开发应用，基于智能物联电能表采样数据深化应用的扩展模组，将越来越广泛的应用于客户侧，那么对于数字量的校准溯源也需要有整套完善的系统。本专利鉴于此种背景，对模拟式及数字式的电能质量设备进行研究分析，研发一套数字式电能质量检测装置。

国内暂无对数字式电能质量设备进行检测分析的装置，传统的电能质量分析都是基于整表进行模拟量值的校准与溯源，无法实现数字式电能质量检测，不能满足基于智能物联电能表用电能质量模组的检测分析需求。传统装置仅由模拟源输出模块、波形发生器及电能计量模块组成，只能满足交流电能模拟量单独检测的功能。

传统标准电能质量校验装置直接对标准电流互感器和标准电压互感器或电能质量整表进行标准模拟量输出计量，计算出标准电能值，而且通过波形发生器控制输出波形，在此基础上对电能质量进行分析。这只适用于对整表模拟量的校准溯源，无法完成电能质量模组的数字量校准工作。

随着智能物联电能表的设计开发，电能质量模组的设计也日趋完善，现在已具备在智能物联电能表内配置电能质量模组进行客户侧电能质量测量分析记录，并开展小规模的试点应用。推广应用前，在完成智能物联电能表的校准溯源后，也需要对电能质量模组的功能及技术指标进行相关测试，确保电能质量模组的功能及技术指标符合标准要求，并对其中的技术指标进行量值溯源。

传统标准电能质量校验装置由于缺少数字量的校准溯源功能，将极大的影响数字式电能质量计量设备的应用。

发明内容

传统标准电能质量校验装置无法完成电能质量模组的数字量校准工作。

针对以上问题，本发明提供一种数字式电能质量检测装置，旨在解决实现数字式电能质量设备的模拟量和数字量的校准溯源，从而为用户侧电能质量监测提供技术支撑。

一种电能质量模组检测装置，其特征在于，所述装置包括：

数据处理模块、电压输出模块、电压反馈测量模块、电流输出模块、电流反馈测量模块、显示和控制模块、数据接口模块、误差计算模块；

数据处理模块，由第一微处理器MCU1、第二微处理器MCU2、安卓嵌入式软件平台、第一现场可编程门阵列FPGA1、第二现场可编程门阵列FPGA2组成，该模块用于接收显示或者控制模块的指令；

电压输出模块，由波形发生器、谐波和间谐波发生器、高速ADC转换器、功放、高稳定供电电源组成；

电压反馈测量模块，由精密电压分压器、高速AD采样、精密电压基准组成；

电流输出模块，由波形发生器、谐波和间谐波发生器、高速ADC转换器、功放、高稳定供电电源组成；

电流反馈测量模块，主要由宽频电流比较仪、精密取样电阻、高速AD采样、精密电压基准组成；

显示和控制模块，由大尺寸液晶触摸屏、数字按键组成；

数据接口模块，由USB、RS232通讯接口组成；

设定的电压电流幅值、频率、相位、或用户自定义编程的复杂波形信息，并控制输出模块输出所需的电压电流波形；实时接收电压电流反馈测量的信号，计算出标准功率值、标准电能值，并将电压、电流、频率、相位、功率、电能标准电参量传输至液晶屏上显示。

电压输出模块最大输出360V的宽频电压；电压反馈测量模块中的分压器由比差和相位移均较小的精密电阻网络组成，用于将0～360V的大电压转换成1V或5V的小信号电压，经AD采样后传输给现场可编程门阵列FPGA和微处理器，并实时调节电压输出，以实现较高的输出稳定度和测量精度。

电流输出模块中单个单元最大输出有效值10A的宽频电流；电流反馈测量模块，当输出电流I≤5A时，采用取样电阻的方案将电流转换成小电压信号；当输出电流I>5A时，采用宽频电流比较仪的方案将电流转换成小电压信号；经过电阻或比较仪转换后小电压经AD采样后传输给FPGA和微处理器，并实时调节电流输出，以实现较高的输出稳定度和测量精度。

在显示模块和控制模块中，液晶屏用于显示设定及测量的标准电量值或波形，采用触摸与按键结合的操作方式，方便用户设定参数与控制测试过程。

数据接口模块使用相应的数据线与计算机系统连接，配合专用的测试软件，组建全自动交流功率检测系统，支持被测数据实时上传至数据库实现大数据分析。

一种电能质量模组检测方法，其特征在于，所述方法包括：

通过人机交互单元设定需要的电量，第一微处理器MCU1计算后输出相应的数字量，数字量经过DA转换器转换成对应的电量输出，通过电压取样或者宽频直流比较仪取样将输出的电压或者电流反馈回来，采用AD采集取样电路的模拟量，并将其转换为数字量，送入微处理器处理后与之前设定数字量进行比较，调节输出信号使系统达到平衡，从而使输出达到预期设置的电量；

在微处理器内绘制出待输出复杂波形，该波形已转换为数字信号，并将传输给第一现场可编程门阵列FPGA1，经过任意波形发生器、谐波发生器、间谐波发生器、及高速DAC，输出复杂的模拟波形信号，反馈测量通道对模拟波形进行实时采样，第一现场可编程门阵列FPGA1对测量的信号进行失真度补偿与设定值对比再修正输出；

数字量的输出则是以第一微处理器MCU1与第一现场可编程门阵列FPGA1的最终输出为基础，计算机通过RS232接口连入第一微处理器MCU1方便对数字量进行控制处理，将相应的数字量，通过第二微处理器MCU2处理后经第二现场可编程门阵列FPGA2控制打包传输给数字量输出接口，从而使输出达到预期设置的数字量输出；

在误差计算模块中，电能误差的测量是通过接收被检电能表的电能脉冲输入，与检测系统输出的标准电能脉冲比较，计算出电能误差。

技术效果

本发明由于采用输出模拟信号，具备基表+模组检测的功能；也可输出数字信号，具备模组单独检测的功能的方案，设计了整套数字式电能质量检测装置，实现数字式电能质量仪表的模拟量和数字量的校准溯源，从而为智能变电站数字式计量系统快速发展提供可靠保障。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为数字式电能质量检测装置基本原理框图；

图2为数字式电能质量检测装置结构设计方案图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

传统标准电能质量校验装置直接对标准电流互感器和标准电压互感器或电能质量整表进行标准模拟量输出计量，计算出标准电能值，而且通过波形发生器控制输出波形，在此基础上对电能质量进行分析。这只适用于对整表模拟量的校准溯源，无法完成电能质量模组的数字量校准工作。

智能变电站数字式计量系统快速发展，电能质量模组设计日趋完善，通常在整表内部配有电能质量测量分析记录的数字电能质量模组。在完成电能质量整表模拟量的校准溯源后，也需要对电能质量模组的功能、技术指标等进行相关检测，确保电能质量模组的正常工作并可计量溯源其数字量。

针对以上问题，本发明提供一种数字式电能质量检测装置，如图1所示，旨在解决实现数字式电能质量仪表的模拟量和数字量的校准溯源，从而为客户侧电能质量探索提供技术支撑。

通过人机交互单元设定需要的电压、电流等电量信息，第一微处理器MCU1计算后输出相应的数字量，数字量经过DA转换器转换成对应的电压、电流等电量信息输出，通过电压取样或者宽频直流比较仪取样将输出的电压或者电流反馈回来，采用AD采集取样电路的模拟量，并将其转换为数字量，送入微处理器处理后与之前设定数字量进行比较，调节输出信号使系统达到平衡，从而使输出达到预期设置的电压、电流等电量信息；

在微处理器内绘制出待输出复杂波形，该波形已转换为数字信号，并将传输给第一现场可编程门阵列FPGA1，经过任意波形发生器、谐波发生器、间谐波发生器、及高速DAC，输出复杂的模拟波形信号，反馈测量通道对模拟波形进行实时采样，第一现场可编程门阵列FPGA1对测量的信号进行失真度补偿与设定值对比再修正输出；

数字量的输出则是以第一微处理器MCU1与第一现场可编程门阵列FPGA1的最终输出为基础，计算机通过RS232接口连入第一微处理器MCU1方便对数字量进行控制处理，将相应的数字量，通过第二微处理器MCU2处理后经第二现场可编程门阵列FPGA2控制打包传输给数字量输出接口，从而使输出达到预期设置的数字量输出；

在误差计算模块中，电能误差的测量是通过接收被检电能表的电能脉冲输入，与检测系统输出的标准电能脉冲比较，计算出电能误差。

模块详细设计

1)数据处理模块

主要由微处理器(MCU)、安卓嵌入式软件平台、现场可编程门阵列(FPGA)等组成。该模块用于接收显示/控制模块的指令，如设定的电压电流幅值、频率、相位、或用户自定义编程的复杂波形等信息，并控制输出模块输出所需的电压电流波形；实时接收电压电流反馈测量的信号，计算出标准功率值、标准电能值，并将电压、电流、频率、相位、功率、电能等标准电参量传输至液晶屏上显示。

2)电压输出模块

包含任意波形发生器、谐波和间谐波发生器、高速ADC转换器、功放、高稳定供电电源等组成，最大可输出360V的宽频电压。

3)电压反馈测量模块

主要由精密电压分压器、高速AD采样、精密电压基准等组成。其中分压器由比差和相位移均较小的精密电阻网络组成，用于将0～360V的大电压转换成1V或5V的小信号电压，经AD采样后传输给FPGA和微处理器，并实时调节电压输出，以实现较高的输出稳定度和测量精度。

4)电流输出模块

包含任意波形发生器、谐波和间谐波发生器、高速ADC转换器、功放、高稳定供电电源等组成，单个单元最大可输出10A(有效值)的宽频电流。

5)电流反馈测量模块

主要由宽频电流比较仪、精密取样电阻、高速AD采样、精密电压基准等组成。当输出电流I≤5A时，采用取样电阻的方案将电流转换成小电压信号，当输出电流I>5A时，采用宽频电流比较仪的方案将电流转换成小电压信号；经过电阻或比较仪转换后小电压经AD采样后传输给FPGA和微处理器，并实时调节电流输出，以实现较高的输出稳定度和测量精度。

6)误差计算模块

误差计算模块用来检验电能的基本误差，是检测系统的一个核心模块。基本误差检验采用高频脉冲数预置法，检验时由检测系统和被检表在同一负荷下同时工作，检测系统采用虚负荷法，即由检测系统输出测试电压、测试电流给被检表，让被检表转动，装置通过DDS可编程脉冲输出模块对基准频率进行分频，将功率值转换成标准高频脉冲数m输出，同时装置接收被检表输入的N个低频脉冲，被检表低频脉冲和标准高频脉冲都传输至误差计算模块，将m作为实测高频脉冲数，再与算定的脉冲数m₀进行比较，得到被测电能表的相对误差γ(％)。

式中：

C_HO——标准电能表的高频脉冲常数，imp/kWh；

C_L——被测电能表的低频脉冲常数，imp/kWh；

U——标准源输出电压满量程值；

I——标准源输出电流满量程值。

7)显示/控制模块

主要由大尺寸液晶触摸屏、数字按键等组成，液晶屏用于显示设定及测量的标准电量值或波形，采用触摸与按键结合的操作方式，方便用户设定参数与控制测试过程。

8)数据接口模块

主要由USB、RS232等通讯接口组成，可使用相应的数据线与计算机系统连接，配合专用的测试软件，组建全自动交流功率检测系统，支持被测数据实时上传至数据库实现大数据分析。

数字式电能质量检测装置设计为台体式，具有12个模拟量测试表位和48位数字模组测试接口，可全自动检测12块同规格的单/三相交流电能表和48块电能质量模组，如图2所示。

主要由校验台、电压电流标准源与主控单元、工作台体、操控面板以及计算机、显示器和打印机等组成。

1)校验台：包括12组模拟输出挂表架、48组数字量接口、通信接口、开关等；

2)标准电流源：24A交流标准电流源；

3)主控单元+标准电压源：包括主控单元、360V交流标准电压源等；4)工作台：采用无磁材料，用于放置校验台和被检表等；

5)测控台：用于手动操作和控制本系统装置，以及显示系统数据和参数等；

6)计算机、打印机、显示器：用于系统装置的程控操作、显示和打印报表等。

技术效果

本发明由于采用输出模拟信号，具备基表+模组检测的功能；也可输出数字信号，具备模组单独检测的功能的方案，设计了整套数字式电能质量检测装置，实现数字式电能质量仪表的模拟量和数字量的校准溯源，从而为智能变电站数字式计量系统快速发展提供可靠保障。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (7)

1.一种电能质量模组检测装置，其特征在于，所述装置包括：

数据处理模块、电压输出模块、电压反馈测量模块、电流输出模块、电流反馈测量模块、显示和控制模块、数据接口模块、误差计算模块；

数据处理模块，由第一微处理器MCU1、第二微处理器MCU2、安卓嵌入式软件平台、第一现场可编程门阵列FPGA1、第二现场可编程门阵列FPGA2组成，该模块用于接收显示或者控制模块的指令；

电压输出模块，由波形发生器、谐波和间谐波发生器、高速ADC转换器、功放、高稳定供电电源组成；

电压反馈测量模块，由精密电压分压器、高速AD采样、精密电压基准组成；

电流输出模块，由波形发生器、谐波和间谐波发生器、高速ADC转换器、功放、高稳定供电电源组成；

电流反馈测量模块，主要由宽频电流比较仪、精密取样电阻、高速AD采样、精密电压基准组成；

显示和控制模块，由大尺寸液晶触摸屏、数字按键组成；

数据接口模块，由USB、RS232通讯接口组成。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，设定的电压电流幅值、频率、相位、或用户自定义编程的复杂波形信息，并控制输出模块输出所需的电压电流波形；实时接收电压电流反馈测量的信号，计算出标准功率值、标准电能值，并将电压、电流、频率、相位、功率、电能标准电参量传输至液晶屏上显示。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，电压输出模块最大输出360V的宽频电压；电压反馈测量模块中的分压器由比差和相位移均较小的精密电阻网络组成，用于将0～360V的大电压转换成1V或5V的小信号电压，经AD采样后传输给现场可编程门阵列FPGA和微处理器，并实时调节电压输出，以实现较高的输出稳定度和测量精度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，电流输出模块中单个单元最大输出有效值10A的宽频电流；电流反馈测量模块，当输出电流I≤5A时，采用取样电阻的方案将电流转换成小电压信号；当输出电流I>5A时，采用宽频电流比较仪的方案将电流转换成小电压信号；经过电阻或比较仪转换后小电压经AD采样后传输给FPGA和微处理器，并实时调节电流输出，以实现较高的输出稳定度和测量精度。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，在显示模块和控制模块中，液晶屏用于显示设定及测量的标准电量值或波形，采用触摸与按键结合的操作方式，方便用户设定参数与控制测试过程。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，数据接口模块使用相应的数据线与计算机系统连接，配合专用的测试软件，组建全自动交流功率检测系统，支持被测数据实时上传至数据库实现大数据分析。

7.一种电能质量模组检测方法，其特征在于，所述方法包括：

通过人机交互单元设定需要的电量，第一微处理器MCU1计算后输出相应的数字量，数字量经过DA转换器转换成对应的电量输出，通过电压取样或者宽频直流比较仪取样将输出的电压或者电流反馈回来，采用AD采集取样电路的模拟量，并将其转换为数字量，送入微处理器处理后与之前设定数字量进行比较，调节输出信号使系统达到平衡，从而使输出达到预期设置的电量；

在微处理器内绘制出待输出复杂波形，该波形已转换为数字信号，并将传输给第一现场可编程门阵列FPGA1，经过任意波形发生器、谐波发生器、间谐波发生器、及高速DAC，输出复杂的模拟波形信号，反馈测量通道对模拟波形进行实时采样，第一现场可编程门阵列FPGA1对测量的信号进行失真度补偿与设定值对比再修正输出；

数字量的输出则是以第一微处理器MCU1与第一现场可编程门阵列FPGA1的最终输出为基础，计算机通过RS232接口连入第一微处理器MCU1方便对数字量进行控制处理，将相应的数字量，通过第二微处理器MCU2处理后经第二现场可编程门阵列FPGA2控制打包传输给数字量输出接口，从而使输出达到预期设置的数字量输出；

在误差计算模块中，电能误差的测量是通过接收被检电能表的电能脉冲输入，与检测系统输出的标准电能脉冲比较，计算出电能误差。

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