CN105004943A - 一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置，属于电能质量在线监测和电能计量技术领域，该装置包括：三组电流电压采集单元、CPU模块、低压侧电压供能电源模块及无线通信模块；每组电流采集单元均分别与CPU模块和低压侧电压供能电源模块相连，低压侧电压供能电源模块及通信模块分别与CPU模块相连。该装置无需停电和断线安装，适用于户内户外环境，具有电能质量监测和电能计量的功能，以及测量范围和响应频带宽、在较宽的工作温度范围下准确度高的特性。

Description

一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置

技术领域

本发明属于电能质量在线监测和电能计量技术领域，特别涉及一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置。

背景技术

由于电力网络扩展以及互联、大型联合电网的出现，电网结构越来越复杂，用户对用电质量要求越来越高，使得供电部门对用电质量更加的重视；但现有各电压无功调控设备仅依据安装测量点的测量值进行各自为政的独立控制已无法满足实际需求。

由于配电网运行多变，以及各类新能源及分布式电源渗透接入，在现有的监测设备性能条件下，无法在运行中快速增加测量监测点，使得线损的有效监测统计及管理将会变得愈发困难。

由于用户对供电可靠性要求越来越高，停电施工越来越难，以及监测诊断必须满足快速灵活组网和大数据的需求，市场极其需要高压侧可带电快速安装，且可靠性和准确度高的高压电能质量监测设备。另外，从防窃电减低管理线损的角度看，高压侧加装具备电能计量功能的监测设备，也是防窃电非常有效的方式。

电网中目前应用的主要高压计量装置和设备主要有两种，均无法不断线不停电的带电安装，除此以外，还主要存在以下问题：

一是高压电磁式计量箱，一般采用两元件电磁式互感器的设计，由于电磁式互感器具有“铁磁谐振、容易磁饱和、以及自身损耗大”等缺点，若在干线支路等主要馈线上大量安装将会降低电网运行的安全经济性。另外，高压电磁式计量箱的二次信号需要二次转换才能供低压电量仪表使用，因此增加了测量的二次综合误差，降低了准确度。

二是高压电能表，一般仍采用两元件设计，用途限于电能计量，尚无法满足至如电能质量等更多用途的电气量测量、以及配电自动化量测领域。另外，一部分高压电能表仍采用电磁式互感器，除部分产品采取通过提高匝数比规避了信号二次转换外，上述高压电磁式计量箱存在的问题其仍然存在。

发明内容

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提供一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置，该装置无需停电和断线安装，适用于户内户外环境，具有电能质量监测和电能计量的功能，以及测量范围和响应频带宽、在较宽的工作温度范围下准确度高的特性。

本发明提出的一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置，其特征在于，该装置包括：三组电流电压采集单元、CPU模块、低压侧电压供能电源模块及无线通信模块；每组电流采集单元均分别与CPU模块和低压侧电压供能电源模块相连，低压侧电压供能电源模块及通信模块分别与CPU模块相连。

所述每组电流采集单元均包括高压等电位开口电流互感器、高压等电位电流信号采集模块、高压等电位电压取能电源模块、电子式电压互感器、电容型取能互感器及电压信号采集模块；其中，高压等电位开口电流互感器输出端、高压等电位电压取能电源模块输出端分别与高压等电位电流信号采集模块输入端相连，电子式电压互感器输出端与电压信号采集模块输入端相连；电容型取能互感器输出端分别与高压等电位电压取能电源模块输入端和低压侧电压取能电源模块输入端相连，高压等电位电流信号采集模块与CPU模块双向相连，电压信号采集模块的输出端和输入端分别与低压侧电压取能电源模块、CPU模块相连。

所述装置还包括三个高压电路屏蔽盒、三个套管、三根信号光纤、六个熔断器、一个金属箱体；三个高压电路金属屏蔽盒内分别放置一组电流电压采集单元的高压等电位电流信号采集模块和高压等电位电压取能电源模块，一个金属箱体内放置三组电流电压采集单元的其它器件，包括电子式电压互感器、电容型取能互感器、电压信号采集模块，以及CPU模块和低压侧电压取能电源模块；三个高压电路金属屏蔽盒通过三个套管与金属箱体相连；六根熔断器，其中三个熔断器上端分别通过三个高压电路金属屏蔽盒和三个套管中的金属管臂相连，三个熔断器下端分别与三组电流电压采集单元的三个电子式电压互感器相连，另外三个熔断器上端分别通过三个套管中金属管内的电极与三组电流电压采集单元的三个高压等电位电压取能电源模块，三个熔断器下端分别与三组电流电压采集单元的三个电容型取能互感器高压极相连；三根信号光纤穿过三个套管分别将三组电流电压采集单元的三个高压等电位电流信号采集模块与CPU模块相连。

本发明的特点：

本发明的可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置中电流和电压互感器均为三元件设计；其中电流互感器为开口或开启式的高压等电位设计，电流采集模块和为其供能的电源模块直接工作在高压侧；电压互感器采用电子式互感器；每相另外加装一支高压电容分压器作为电压取能型互感器，负责为每相的高压侧电路模块和低压侧电路模块同时供能；电压互感器和电压取能型互感器通过电流互感器和高压侧工作电路模块外的等电位金属屏蔽壳取压；电流互感器信号经高压侧采集模块数字化处理后经光纤传输至CPU模块中，电压互感器信号在低压侧经电压采集模块数字化处理后也传输至CPU模块，CPU模块负责电流电压信号的同步处理及计算，计算结果最后经通信模块传输至远端；另外，通信模块除可收发远程信号外，还可收发近距离信号，以完成与就近设备的通信。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、可带电安装满足供电可靠性的要求，且有利于大量布点和快速组网；

2、无二次接线，将高压等电位电流互感器卡装至高压母线上，也即同时完成了电流、电压测量和供能取压；

3、电流互感器高压侧等电位运行简化了绝缘设计；

4、电流电压互感器均为无磁饱和和铁磁谐振，且测量范围宽、准确度高、低温漂，可同时满足测量、计量和保护的准确度要求，以及宽额定电流变比的需求；

5、采用互感器三元件设计，测量准确度优越于两元件设计的同时，不增加线路无功和不平衡电流，满足电网运行对安全经济性的要求；

6、电容分压供能方式可同时满足高低压侧的电路供能，确保供能无死角；

7、电流电压信号回路无二次转换，或用光数字信号传输采样，有效提高了整体计量准确度。

附图说明

图1为本发明整体结构及工作原理框图。

图2为本发明实施例总体结构示意图。

图3为本发明的高压等电位电流采样模块实施例组成框图。

图4为本发明的高压等电位电压取能电源模块实施例电路原理图。

图5为本发明的电容取能互感器的实施例电路图。

图6为CPU模块及通信模块的实现方式框图。

具体实施方式

为了达到上述目的，本发明提供的可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置结合附图及实施例详细说明如下；

本发明提供的可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置如图1所示，包括：三组电流电压采集单元、CPU模块12、低压侧电压供能电源模块14及无线通信模块13；每组电流采集单元均分别与CPU模块12和低压侧电压供能电源模块14相连，低压侧电压供能电源模块14及通信模块13分别与CPU模块12相连。所述每组电流采集单元均包括高压等电位开口电流互感器1、高压等电位电流信号采集模块2、高压等电位电压取能电源模块3、电子式电压互感器8、电容型取能互感器9及电压信号采集模块11；其中，高压等电位开口电流互感器1输出端、高压等电位电压取能电源模块3输出端分别与高压等电位电流信号采集模块输入端2相连，电子式电压互感器8输出端与电压信号采集模块11输入端相连；电容型取能互感器9输出端分别与高压等电位电压取能电源模块输入端3和低压侧电压取能电源模块输入端14相连，高压等电位电流信号采集模块2与CPU模块12双向相连，电压信号采集模块的输出端和输入端11分别与低压侧电压取能电源模块14、CPU模块12相连。

本发明装置的工作原理为：高压等电位开口电流互感器1采集母线的电流，输出与母线电流成一定关系的二次信号，送到高压等电位电流采样模块2进行数字化处理，然后送到CPU模块12；电子式电压互感器8输出与母线电压成一定关系的二次信号，送到电压信号采样模块11进行数字化处理，然后送到CPU模块12。CPU模块12对收到的电流电压数字信号进行频谱变换后得到电压电流有效值、电压电流角度、谐波含量、频率、功率等电能质量参数及有功电能、无功电能等计量结果，结果最后通过通信模块13发送出去。

本装置具体实施还包括三个高压电路屏蔽盒4、三个套管5、三根信号光纤6、六个熔断器10、一个金属箱体7；三个高压电路金属屏蔽盒4内分别放置一组电流电压采集单元的高压等电位电流信号采集模块2和高压等电位电压取能电源模块3，一个金属箱体7内放置三组电流电压采集单元的其它器件，包括电子式电压互感器8、电容型取能互感器9、电压信号采集模块11，以及CPU模块12和低压侧电压取能电源模块14；三个高压电路金属屏蔽盒4通过三个套管5与金属箱体7相连；六根熔断器，其中三个熔断器上端分别通过三个高压电路金属屏蔽盒4和三个套管5中的金属管臂相连，三个熔断器下端分别与三组电流电压采集单元的三个电子式电压互感器8相连，另外三个熔断器上端分别通过三个套管5中金属管内的电极与三组电流电压采集单元的三个高压等电位电压取能电源模块3，三个熔断器下端分别与三组电流电压采集单元的三个电容型取能互感器9高压极相连；三根信号光纤6穿过三个套管5分别将三组电流电压采集单元的三个高压等电位电流信号采集模块2与CPU模块12相连，如图2所示；

本发明的实施例结构及各部件的功能及具体实施方式分别详细说明如下：

本发明的实施例结构如图2所示，包括高压等电位开口电流互感器1、高压等电位电流信号采集模块2、高压等电位电压取能电源模块3、高压电路金属屏蔽盒4、套管5、信号光纤6、金属箱体7、电子式电压互感器8、电容型取能互感器9、熔断器10、电压信号采集模块11、CPU模块12、通信模块13、低压侧电压取能电源模块14；其连接关系及工作原理：

高压等电位开口电流互感器1通过屏蔽盒的屏蔽线，将信号传输至高压等电位电流信号采集模块2中，其中，屏蔽盒的屏蔽金属层将高压等电位开口电流互感器1外的金属屏蔽壳和高压电路金属屏蔽盒相连，形成高压等电位的同时并完成电压取压；高压等电位电流信号采集模块2直接采集高压等电位开口电流互感器1的信号并完成数字处理，然后经信号光纤6输至CPU模块12；高压等电位电压取能电压模块3高压电路金属屏蔽盒4上的高压作为参考电位，从电容型取能互感器9中取能，并完成对高压等电位电流信号采集模块2的供能；高压电路金属屏蔽盒4通过航插和屏蔽线与高压等电位开口电流互感器1的信号极和外金属壳相连，并完成对高压电路的电磁屏蔽；套管5上端法兰上安装高压电路金属屏蔽盒4，居中法兰安装在金属箱体7上，套管除起到将高压分别引致电子式电压互感器8和电容型取能互感器9上的作用外，还起到光纤绝缘子的作用，即信号光纤6从套管5中穿过；信号光纤6将高压侧的数字电流信号传输给CPU模块12，并起到高低压信号隔离的作用；金属箱体7支撑套管并可靠接地，起到防雨、防尘、防紫外线等作用，另外也起到对电子式电压互感器8以及其它低压侧工作电路进行杂散电容以及电磁屏蔽的作用；电子式电压互感器8安装在金属箱体7内，负责测量电压，其信号直接传输给电压信号采集模块11；电容型取能互感器9安装在金属箱体7内，负责电压分压取能，并分别给高压等电位电压取能电源模块3和低压侧电压取能电源模块14供能；熔断器10为内置于金属箱体中，每相电子式电压互感器8和电容型取能互感器9上各装一支，起到保护隔离的作用；电压信号采集模块11采集电子式电压互感器8的信号，数字化处理后传输给CPU模块12；CPU模块12负责同时采集电流电压信号、以及电能质量及电能量的计算，其完成计算后将数据传输至通信模块13；通信模块13负责CPU模块12；低压侧电压取能电源模块14负责给电压信号采集模块11、CPU模块12和通信模块13供能。

本实施例的各部件的实施方式及功能为：

高压等电位电流互感器1采用工作范围为-40至+70度，测量准确度为0.5及级以上的柔性罗氏线圈、或开口硬质骨架罗氏线圈、或开口磁芯线圈。

高压等电位电流采样模块2与低压侧的电压信号采集模块11原理和构成相同：如图3所示，主要由依次相连的模数转换器AD7606、微控制器MCU-STM32F103、多模光纤发送器HFBR-1414器件组成，其中电流信号直接进入AD7606进行数字采集转换，然后再将处理完的数字信号传输给STM32F103进行计算处理，最后处理完的信号传输给光纤发送器HFBR-1414再由其发送给CPU模块。

高压等电位电压取能电源模块3如图4所示，由整流桥D9，两个电容C1、C2，和直流-直流稳压变换器U2组成，其中，取能互感器分得的电压经整流桥D9后成直流电压，经电容C2(此直流电压的脉动成分比较大，需用一个不小于1500uf的电容C2进行平滑滤波)后输出到直流-直流稳压变换器U2,U2的输出接一个电容C1滤波，得到一个稳定的电压。低压侧供能电源模块14的工作原理与高压等电位电压取能电源模块3的原理相同，只是工作的参考电位不同。

电容取能互感器9的实施例结构如图5所示，采用绝缘水平和介损指标符合国家标准的，电压因数为1.9的干式电容分压器(由三个电容器C4、C3、C5串联而成，高压等电位电压取能电源模块3、低压侧供能电源模块14分别连接在C3的两端)。

电子式电压互感器8采用绝缘水平和介损指标符合国家标准的，工作范围为为-40至+70度，测量准确度为0.5级及以上，电压因数为1.9的、基于电阻分压、或电容分压、或阻容分压原理的干式电子式电压互感器。

CPU模块12及通信模块13：如图6所示，其中CPU模块12主要由光纤接收器HFBR-2412、芯片MCU-STM32F103构成，通信模块13采用天线和通信器件S14432构成，具体的工作原理为：各路计算完成的电流电压信号通过光纤发送给光纤接收器HFBR-2412，然后输入给芯片MCU-STM32F103，并由其完成电能质量和电能的计算，计算结果传输给通信模块13最终由其完成通信远传。

套管5、信号光纤6、金属箱体7均采用本领域常规产品。

虽然参照本发明的某些优选实例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的一般专业技术人员应该明白，可以在形式和细节上对本发明作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种可在高压侧带电装拆的电能质量监测和电能计量装置，其特征在于，该装置包括：三组电流电压采集单元、CPU模块、低压侧电压供能电源模块及无线通信模块；每组电流采集单元均分别与CPU模块和低压侧电压供能电源模块相连，低压侧电压供能电源模块及通信模块分别与CPU模块相连。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述每组电流采集单元均包括高压等电位开口电流互感器、高压等电位电流信号采集模块、高压等电位电压取能电源模块、电子式电压互感器、电容型取能互感器及电压信号采集模块；其中，高压等电位开口电流互感器输出端、高压等电位电压取能电源模块输出端分别与高压等电位电流信号采集模块输入端相连，电子式电压互感器输出端与电压信号采集模块输入端相连；电容型取能互感器输出端分别与高压等电位电压取能电源模块输入端和低压侧电压取能电源模块输入端相连，高压等电位电流信号采集模块与CPU模块双向相连，电压信号采集模块的输出端和输入端分别与低压侧电压取能电源模块、CPU模块相连。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置还包括三个高压电路屏蔽盒、三个套管、三根信号光纤、六个熔断器、一个金属箱体；三个高压电路金属屏蔽盒内分别放置一组电流电压采集单元的高压等电位电流信号采集模块和高压等电位电压取能电源模块，一个金属箱体内放置三组电流电压采集单元的其它器件，包括电子式电压互感器、电容型取能互感器、电压信号采集模块，以及CPU模块和低压侧电压取能电源模块；三个高压电路金属屏蔽盒通过三个套管与金属箱体相连；六根熔断器，其中三个熔断器上端分别通过三个高压电路金属屏蔽盒和三个套管中的金属管臂相连，三个熔断器下端分别与三组电流电压采集单元的三个电子式电压互感器相连，另外三个熔断器上端分别通过三个套管中金属管内的电极与三组电流电压采集单元的三个高压等电位电压取能电源模块，三个熔断器下端分别与三组电流电压采集单元的三个电容型取能互感器高压极相连；三根信号光纤穿过三个套管分别将三组电流电压采集单元的三个高压等电位电流信号采集模块与CPU模块相连。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述高压等电位电流互感器采用工作范围为-40至+70度，测量准确度为0.5及级以上的柔性罗氏线圈、或开口硬质骨架罗氏线圈、或开口磁芯线圈。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述高压等电位电流采样模块与低压侧的电压信号采集模块构成相同：主要由依次相连的ADC-AD7606、芯片MCU-STM32F103、光纤发送器HFBR-1414器件组成，其中电流信号直接进入ADC-AD7606进行数字采集转换，然后再将处理完的数字信号传输给MCU-STM32F103进行计算处理，最后处理完的信号传输给光纤发送器HFBR-1414再由其发送给CPU模块。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述高压等电位电压取能电源模块由全桥整流电路，两个电容(C1、C2)，整流管和直流-直流稳压变换器组成，其中，取能互感器分得的电压经整流管、全桥整流电路整流后成直流电压，经第二电容(C2)进行平滑滤波后输出到直流-直流稳压变换器,直流-直流稳压变换器的输出接第一电容(C1)滤波，得到一个稳定的电压。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电容取能互感器由三个电容器(C4、C3、C5)串联而成的电压因数为1.9的干式电容分压器，高压等电位电压取能电源模块、低压侧供能电源模块分别连接在串联在中间的电容(C3)的两端。

8.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电子式电压互感器8采用绝缘水平和介损指标符合国家标准的，工作范围为为-40至+70度，测量准确度为0.5级及以上，电压因数为1.9的、基于电阻分压、或电容分压、或阻容分压原理的干式电子式电压互感器。

9.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述CPU模块由光纤接收器HFBR-2412、芯片MCU-STM32F103构成；所述通信模块采用天线和通信器件S14432构成。