CN111537784A - 电流测量工具、电能测量***、电能测量方法 - Google Patents

Abstract

一种电能测量***，包括控制器、用于输出与被测导线中的原始电流相关的衍生电流的非接触式电流感测器、用于输出衍生电流对应的第一信号的电流采样电路、用于识别衍生电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点的标记点识别电路和用于电流测量指令及发送对应于原始电流或衍生电流的理论截取区间内的第二信号的工具侧无线通信模块。一种电能测量***，包括无线通信连接的上位机和电流测量工具。一种电能测量方法，第n+1次采样衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

它可以兼顾电能计量的准确度、使用范围和使用便利性。

Description

电流测量工具、电能测量***、电能测量方法

技术领域

本发明涉及电流测量技术领域，具体涉及一种电流测量工具。

本发明涉及电能测量或功率测量技术领域，具体涉及一种电能测量***、一种电能测量方法，它可以应用在交流电流测量、电能表校验等场景中。

背景技术

电能表为固定式电能测量设备。为了校正电能表的计量准确度，需要拆下电能表，将其移入标准试验环境检测其计量准确度。在此期间，用户端不宜取电，也给电能计量人员造成了极大的不便。

当前，使用电流钳与现场校验仪配合使用，可以在不拆取电能表的条件下校正电能表的计量准确度。为增强电能表的计量准确度，需要选择与被测导线内原始电流量级匹配的电流钳，因此，电流钳并不宜于与现场校验仪一体设置，这样可以根据需要选择合适的电流钳。但这又造成了电流钳与现场校验仪中间的连接线较多，接线难度大，使用时也存在较大的危险性。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种电能测量***、电能测量方法，以解决现有的非固定式电能测量设备不能兼顾计量准确度、使用范围和使用便利性的技术问题。

以供电频率为50Hz为例，本领域技术人员在使用现场校验仪获取电能表的计量准确度时，默认测量周期为0.02s。发明人设想，使用电流钳与现场校验仪无线通信连接，这样既能够根据需要选择合适的电流钳，又能够提高其使用便利性。但是，无线通信会造成信号传输延迟，这对电能测量这种高频采样瞬时电流、瞬时电压，且涉及瞬时电流的相位角的设备来说，其误差其为严重。

为实现本发明的电能测量***，本发明还提供一种电流测量工具。

为解决上述技术问题，可以根据需要选用如下技术方案：

一种电流测量工具，包括非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块；所述非接触式电流感测器用于输出与被测导线中的原始电流相关的衍生电流；所述电流采样电路用于输出所述衍生电流对应的第一信号；所述标记点识别电路用于识别所述衍生电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点，所述理论截取区间对应于所述衍生电流的1个周期内的第一信号；所述工具侧无线通信模块用于接收电流测量指令及发送对应于所述原始电流或衍生电流的所述理论截取区间内的第二信号。

优选的，所述非接触式电流感测器为开合式精密互感器。

优选的，所述标记点识别电路为过零检测电路。

优选的，所述标记点识别电路的输出端与所述控制器的中断引脚电连接。

优选的，所述工具侧无线通信模块具有使能引脚，所述控制器与所述使能引脚电连接。

优选的，还包括用于为所述非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块供电的电池，或者，还包括用于安装电池的电池仓，所述电池用于为所述非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块供电。

一种电能测量***，包括上位机和前述的电流测量工具，所述电流测量工具与所述上位机无线通信连接。

优选的，所述电能测量***用于测量M相用电设备的功率，M≥1，所述电流测量工具有至少M套，该些套所述电流测量工具与一套所述上位机无线通信连接。

优选的，所述上位机为带有上位机侧无线通信模块的现场校验仪。

一种电能测量方法，包括以下步骤：

获取被测导线中的原始电流对应的衍生电流；

识别所述衍生电流的首标记点，记时t₁时刻，设所述衍生电流的首标记点的相位角为

从t₂时刻开始，每隔时长t₃采样所述衍生电流的瞬时电流；

识别所述衍生电流的尾标记点，记时t₄时刻；所述首标记点与所述尾标记点之间的时长对应于所述衍生电流的1个周期；

其中，在t₂时刻至t₄时刻区间，第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

一种电能测量方法，用于测量M相用电设备的功率，M≥1；包括无线通信连接的电流测量工具和上位机，所述电流测量工具有至少M套，该些套电流测量工具与一套所述上位机无线通信连接；包括以下步骤：

每一相被测导线配置有一套对应的所述电流测量工具，其中一套所述电流测量工具被配置为用于截取电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点的第一电流测量工具，所述理论截取区间对应于被截取电流的1个周期内的电流波段；

所述第一电流测量工具识别被截取电流的首标记点，发送第一触发信号，记所述第一电流测量工具识别被截取电流的首标记点的时刻为t₁时刻，设所述衍生电流的首标记点的相位角为

所述上位机接收所述第一触发信号，发送同步开始测量信号；

所有的电流测量工具接收并响应所述同步开始测量信号，记所述电流测量工具响应所述同步测量信号的时刻为t₂时刻，从t₂时刻开始，该电流测量工具每隔时长t₃采样测量与其匹配的被测导线的瞬时电流，发送电流测量数据信号；所述上位机接收所述电流测量数据信号；

所述第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点，发送第二触发信号，记所述第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点的时刻为t₄时刻；所述上位机接收所述第二触发信号，在t₂时刻至t₄时刻区间，所述电流测量工具第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

优选的，所述M≥2。

优选的，所述电流测量数据信号编码有所述衍生电流的瞬间电流数据、与其对应的电流测量工具的识别码数据及与其对应的瞬时电流采集时刻数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明使用非接触式电流感测器感测被测导线中的原始电流，获得衍生电流，并通过标记点识别电路识别衍生电流首标记点和尾标记点，以能够确定衍生电流的周期时长。非接触式电流感测器便于非固定式测量被测导线中的原始电流，工具侧无线通信模块的无线通信方式可以减少信号线缆，兼顾电流计量的准确度、使用范围和使用便利性，通过接收电流测量指令，发送与衍生电流相关的瞬间电流数据，进而实现与上位机或其它电流测量工具的配合使用。

2.标记点识别电路的输出端与控制器的中断引脚电连接，可以降低电流测量工具的测量时差，获得更多的对应于原始电流的衍生电流的采样数据，进而可以提高电能的计量准确度。

3.控制器与工具侧无线通信模块的全能引脚连接，可以精准的实现发送一个理论截取区间内的对应于原始电流的衍生电流的数据。

4.电池应理解为广义的电池，包括可充电电池、一次性电池，电池仓指可以安装电池的容腔。这样，电池流量工具可与完全实现与其它设备的无线连接。

5.本发明电流测量工具与上位机通过无线通信连接实现配合，构成完整的电能测量***，其中，无线通信连接替换现有的信号电缆，降低了线缆数量，使电能测量***能够兼顾计量准确度、使用范围和使用便利性。

6.在无线通信过程的指令延迟会造成电能测量的实际截取区间不等同于理论截取区间，从而造成误差。本发明方法通过测量第n次采样衍生电流的瞬时电流及其对应的相位角，可以降低计量电能时的误差。

7.一般的，交流电有一相电、三相电之分。在测量三相电的电流时，三套电流测量工具的同步尤为重要。在上位机指令电流测量工具开始测量原始电流，电流测量工具获得原始电流或衍生电流的瞬时电流及相位角后再发送至上位机。由上位机处理采样的瞬时电流及相位角，得到电能数据。

8.电流测量数据信号编码有衍生电流的瞬间电流数据、与其对应的电流测量工具的识别码数据及与其对应的瞬时电流采集时刻数据时，可以确定无线通信数据帧和获取数据的具体设备。发明人试验得知，在无线通信中增加心跳包通讯会占用无线通讯通道，会对无线通讯中断信号和数据的无线传输有数据延时，本发明的电能测量方法中使用至少两套电流测量工具时，不宜使用在无线通信中增加心跳包的方式。

附图说明

图1为本发明的电流测量工具的电池的一种充电电路图。

图2为本发明的电流测量工具的电池的一种放电电路图。

图3为本发明的电流测量工具的控制器的一种电路图。

图4为本发明的电流测量工具的电流采样电路及标记点识别电路的一种电路图。

图5示出了本发明的电流测量方法的衍生电流、过零中断信号随时间的变化图。

具体实施方式

下面结合附图，以实施例的形式说明本发明，以辅助本技术领域的技术人员理解和实现本发明。除另有说明外，不应脱离本技术领域的技术知识背景理解以下的实施例及其中的技术术语。

本发明的第一部分：

一种电流测量工具，参见图1-4，包括非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块。根据需要，电流测量工具还可以包括用于为所述非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块供电的电池，或者，电流测量工具还可以包括用于安装电池的电池仓，电池用于为所述非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块供电。

其中，非接触式电流感测器用于输出与被测导线中的原始电流相关的衍生电流。非接触式电流感测器可以选择开合式精密互感器。开合式精密互感器也就是可开合的仪用互感器，这样方便将非接触式电流感测器套在被测导线上。以开合式精密互感器为例，开合式精密互感器套在被测导线上时，其能感应被测导线内通过的原始电流，并生成衍生电流，衍生电流一般为成倍缩小的次级电流，也就是说衍生电流为模拟信号。当被测导线中的原始电流为交流电流时，模拟信号同样为交流信号。

其中，电流采样电路用于输出所述衍生电流对应的第一信号。电流采集电路包括信号放大电路、模数转换电路，第一信号也就是数字信号。在实际应用时，电流采集电路可以单独存在，也可以集成在非接触式电流感测器中；信号放大电路可以集成在非接触式电流感测器中；模数转换电路也可以集成在控制器中。参见图4，非接触式电流感测器的输出端引脚2、引脚5与差分比例电路的输入端电连接，差分比例电路的电阻R111为标准电阻。以开合式精密互感器、被测导线中的原始电流为交流电流为例，差分器的供电端分别接有双极性正负电压。差分比例电路的输出端与模数转换电路的模拟输入端电连接，模数转换电路的数字输出端与控制器的GPIO引脚电连接。

其中，标记点识别电路用于识别衍生电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点，理论截取区间对应于衍生电流的1个周期内的第一信号。同样以开合式精密互感器为例，标记点识别电路识别的衍生电流的1个周期也对应于被测导线中的原始电流的一个周期。标记点识别电路可以选择过零检测电路。参见图4，过零检测电路包括比较器，比较器的反相输入端与差分比例电路的输出端电连接，比较器的反相输入端还并联有接地的高频滤波电容C113，比较器的正相输入端接地，比较器的输出端与控制器的GPIO引脚电连接。

其中，工具侧无线通信模块用于接收电流测量指令及发送对应于所述原始电流或衍生电流的所述理论截取区间内的第二信号。控制器可以选择CC2540型控制器，其内置有蓝牙及红外线无线通信模块。由于原始电流与衍生电流具有对应关系，控制器及工具侧无线通信模块的存在，可以将对应于衍生电流的1个周期内的第一信号编码为第二信号，第二信号可以对应于原始电流数据，也可以对应于衍生电流数据。CC2540型控制器的GPIO引脚电压为3.3V，若模数转换器的输出端高电平为5.0V，可以通过数字隔离器转换电平电压，例如图4中的ADUM5402就是一种四通道数字隔离器。

图1示出了一种为可充电电池充电的电路图，可充电电池应作功能上的广义理解，可以是蓄电池、锂电池、镍氢电池、18650电池等。图2示出了一种电池的放电电路图，图中VDD_4.2V与VEE_4.2V构成双极性正负电压。

不可充电电池也应作功能上的广义理解，可以是碱性电池、钮扣电池。

优选的，标记点识别电路的输出端与控制器的中断引脚电连接。参见图3，控制器选择CC2540，其P2.0及P2.1可以作为中断引脚使用。

优选的，工具侧无线通信模块具有使能引脚，控制器与使能引脚电连接。

在图4中，开合式精密互感器的引脚4、引脚7、引脚8连接有差动器构成的反馈电路，用于修正开合式精密互感器漏磁引起的输出的感应电流与原始电流之间存在的相位角偏移。

本发明的第二部分

一种电能测量***，包括上位机和本发明的第一部分的电流测量工具，电流测量工具与上位机无线通信连接。

应当明白，电能测量***测量负载的耗电电能时，也可以理解成负载的功率。

优选的，电能测量***用于测量M相用电设备的功率，M≥1，以中国现行的国标交流电为例，其有单相交流供电，电压220V，频率50Hz，也就是M＝1；还有三相交流供电，电压380V，频率50Hz，也就是M＝3。当然，在非标准用电***中，M还可以是其它非零自然数。此时，电流测量工具有至少M套，该些套所述电流测量工具与一套所述上位机无线通信连接。最优的，M≥2，此时，使用电能测量***时，上位机与该些套电流测量工具的同步连接尤为重要。

优选的，上位机为带有上位机侧无线通信模块的现场校验仪。上位机侧无线通信模块要与工具侧无线通信模块匹配。现场校验仪属于一种计量校验工具，现有技术中，它可以根据需要包含电能表现场校验、用电检查、电参量测试、矢量分析、谐波测试、CT变比测试和便携式示波器中的至少一种功能。使用时，电流测量工具获得被测导线内的原始电流的瞬时电流及对应的相位，现场校验仪获得被测导线内加载的电压，通过有功功率计算公式或无功功率计算公式获得电能数据。

本发明的第三部分

一种电能测量方法，用于测量M相用电设备的功率，M≥1；以中国现行的国标交流电为例，其有单相交流供电，电压220V，频率50Hz，也就是M＝1；还有三相交流供电，电压380V，频率50Hz，也就是M＝3。当然，在非标准用电***中，M还可以是其它非零自然数。

本发明的电能测量方法包括无线通信连接的电流测量工具和上位机，电流测量工具有至少M套，该些套电流测量工具与一套所述上位机无线通信连接；包括以下步骤：

每一相被测导线配置有一套对应的所述电流测量工具，其中一套所述电流测量工具被配置为用于截取电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点的第一电流测量工具，理论截取区间对应于被截取电流的1个周期内的电流波段；

所述第一电流测量工具识别被截取电流的首标记点，发送第一触发信号，记所述第一电流测量工具识别被截取电流的首标记点的时刻为t₁时刻，设所述衍生电流的首标记点的相位角为

所述上位机接收所述第一触发信号，发送同步开始测量信号；

所有的电流测量工具接收并响应所述同步开始测量信号，记所述电流测量工具响应所述同步测量信号的时刻为t₂时刻，从t₂时刻开始，该电流测量工具每隔时长t₃采样测量与其匹配的被测导线的瞬时电流，发送电流测量数据信号；所述上位机接收所述电流测量数据信号；

所述第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点，发送第二触发信号，记所述第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点的时刻为t₄时刻；所述上位机接收所述第二触发信号，在t₂时刻至t₄时刻区间，所述电流测量工具第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

下面以本发明的二部分记载的电能测量***测量被测导线中通过的频率为50Hz的交流电产生的原始电流为例对本发明的电能测量方法作出具体说明。其中，非接触式电流感测器选择电流互感器，标记点识别电路选择过零检测电路，上位机选择带有上位机侧无线通信模块的现场互感器，上位机侧无线通信模块与工具侧无线通信模块无线通信连接。

若负载的供电电压为单相交流电，将第一电流测量工具的电流互感器套在火线或零线上；若负载的供电电压为三相交流电，将第一电流测量工具的电流互感器套在其中一根火线上，另外两套电流测量工具的电流互感器套在另外两根火线上。

其中，第一电流测量工具截取的电流的理论截取区间是差分比例电路输出的模拟信号的1个周期内的第一信号，理论上，差分比例电路输出的模拟信号等同于衍生电流的波形在波幅方向上等倍放大后的波形，而衍生电流又等同于被测导线内通过的原始电流的波形成波幅方向上等倍缩小后的波形，也就是说，第一电流测量工具截取的电流的1个周期与衍生电流的1个周期、原始电流的1个周期均是等同的。

图3和图4所示的过零检测电路检测的首尾标点和尾标记点均是电流上穿过0电压点的时刻。在过零检测电路检测到电流的首尾标点时，记t₁时刻，此时，衍生电流的首标记点的相位角为

过零检测电路输出电压由高电平突变为低电平，该信号对应于控制器的中断信号，控制器接收到中断信号后，通过工具侧无线通信模块发出第一触发信号。最好的，控制器接收到中断信号后，控制工具侧无线通信模块与上位机的上位机侧无线通信模块开始无线通信；

上位机接收到第一触发信号后，发送同步开始测量信号。

所有的电流测量工具接收并响应同步开始测量信号，记电流测量工具响应同步测量信号的时刻为t₂时刻，从t₂时刻开始，该电流测量工具每隔时长t₃采样测量与其匹配的被测导线的瞬时电流，发送电流测量数据信号；所述上位机接收所述电流测量数据信号；

第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点，发送第二触发信号，记第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点的时刻为t₄时刻；第二触发信号可以是通信中止信号，也可以是具有标记功能的信号。

所述上位机接收所述第二触发信号，在t₂时刻至t₄时刻区间，所述电流测量工具第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

在M≥2时，使用电能测量***时，上位机与该些套电流测量工具的同步连接尤为重要。

优选的，所述电流测量数据信号编码有所述衍生电流的瞬间电流数据、与其对应的电流测量工具的识别码数据及与其对应的瞬时电流采集时刻数据。识别码可以是地址码，也可以是硬件识别码。应当明白，使用前应确保上位机和每一套电流测量工具的时间处于同步状态。

在电流测量工具侧，一种电能测量方法表现为包括以下步骤：

获取被测导线中的原始电流对应的衍生电流；

识别所述衍生电流的首标记点，记时t₁时刻，设所述衍生电流的首标记点的相位角为

从t₂时刻开始，每隔时长t₃采样所述衍生电流的瞬时电流；

识别所述衍生电流的尾标记点，记时t₄时刻；所述首标记点与所述尾标记点之间的时长对应于所述衍生电流的1个周期；

其中，在t₂时刻至t₄时刻区间，第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

在t₂时刻，为第一次采样衍生电流的瞬时电流。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明。应当明白，实践中无法穷尽说明所有可能的实施方式，在此通过举例说明的方式尽可能的阐述本发明的发明构思。在不脱离本发明的发明构思、且未付出创造性劳动的前提下，本技术领域的技术人员对上述实施例中的技术特征进行取舍组合、具体参数进行试验变更，或者利用本技术领域的现有技术对本发明已公开的技术手段进行常规替换形成的具体的实施例，均应属于为本发明隐含公开的内容。

Claims (10)

1.一种电流测量工具，包括非接触式电流感测器、电流采样电路、控制器，其特征在于，还包括标记点识别电路和工具侧无线通信模块；所述非接触式电流感测器用于输出与被测导线中的原始电流相关的衍生电流；所述电流采样电路用于输出所述衍生电流对应的第一信号；所述标记点识别电路用于识别所述衍生电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点，所述理论截取区间对应于所述衍生电流的1个周期内的第一信号；所述工具侧无线通信模块用于接收电流测量指令及发送对应于所述原始电流或衍生电流的所述理论截取区间内的第二信号。

2.如权利要求1所述的电流测量工具，其特征在于，所述非接触式电流感测器为开合式精密互感器。

3.如权利要求1所述的电流测量工具，其特征在于，所述标记点识别电路为过零检测电路。

4.如权利要求1所述的电流测量工具，其特征在于，还包括用于为所述非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块供电的电池，或者，还包括用于安装电池的电池仓，所述电池用于为所述非接触式电流感测器、电流采样电路、标记点识别电路、控制器和工具侧无线通信模块供电。

5.一种电能测量***，所述电能测量***用于测量M相用电设备的功率，M≥1，包括上位机，其特征在于，还包括如权利要求1-4中任一项所述的电流测量工具，所述电流测量工具与所述上位机无线通信连接，所述电流测量工具有至少M套，该些套所述电流测量工具与一套所述上位机无线通信连接。

6.如权利要求5所述的电能测量***，其特征在于，所述上位机为带有上位机侧无线通信模块的现场校验仪。

7.一种电能测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取被测导线中的原始电流对应的衍生电流；

识别所述衍生电流的首标记点，记时t₁时刻；

从t₂时刻开始，每隔时长t₃采样所述衍生电流的瞬时电流；

识别所述衍生电流的尾标记点，记时t₄时刻；所述首标记点与所述尾标记点之间的时长对应于所述衍生电流的1个周期；

其中，在t₂时刻至t₄时刻区间，第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

8.一种电能测量方法，用于测量M相用电设备的功率，M≥1；包括无线通信连接的电流测量工具和上位机，所述电流测量工具有至少M套，其特征在于，该些套电流测量工具与一套所述上位机无线通信连接；包括以下步骤：

每一相被测导线配置有一套对应的所述电流测量工具，其中一套所述电流测量工具被配置为用于截取电流的理论截取区间的首标记点和尾标记点的第一电流测量工具，所述理论截取区间对应于被截取电流的1个周期内的电流波段；

所述第一电流测量工具识别被截取电流的首标记点，发送第一触发信号，记所述第一电流测量工具识别被截取电流的首标记点的时刻为t₁时刻；所述上位机接收所述第一触发信号，发送同步开始测量信号；

所有的电流测量工具接收并响应所述同步开始测量信号，记所述电流测量工具响应所述同步测量信号的时刻为t₂时刻，从t₂时刻开始，该电流测量工具每隔时长t₃采样测量与其匹配的被测导线的瞬时电流，发送电流测量数据信号；所述上位机接收所述电流测量数据信号；

所述第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点，发送第二触发信号，记所述第一电流测量工具识别被截取电流的尾标记点的时刻为t₄时刻；所述上位机接收所述第二触发信号，在t₂时刻至t₄时刻区间，所述电流测量工具第n+1次采样所述衍生电流的瞬时电压与瞬时电流的相位差为

9.如权利要求8所述的电能测量方法，其特征在于，所述M≥2。

10.如权利要求8所述的电能测量方法，其特征在于，所述电流测量数据信号编码有所述衍生电流的瞬间电流数据、与其对应的电流测量工具的识别码数据及与其对应的瞬时电流采集时刻数据。

Images