数字式电能表功耗测量装置的工作原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种数字式电能表功耗测量装置及方法。该专利由国家电网公司申请，并于2017年4月19日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及一种数字式电能表功耗测量装置及方法。

发明背景

智能变电站计量回路中，电子式互感实现电压、电流信号的采集、编码和串行传输，由合并单元对采样序列进行组帧、打包处理，依据IEC 61850规约传输采样数据，由数字式电能表对合并单元的数据包进行解析、计算，得到有功电能和无功电能值。随着我国智能变电站的全面推广，电能计量设备数字式水平越来越高，数字式电能表准确度高、功能强大的优点使之得到了越来越广泛的应用，但由于采用了光纤接口、以太网芯片等元器件，数字式电能表工作状态的功率消耗远远高于传统电能表，尤其在高速通信状态下、运算量较大时，某些型号数字式电能表瞬时功率消耗可达20W以上，约为传统电能表的3倍，当安装环境散热不当时，将引起电能表壳体的温升，影响电能表计量准确度和安全稳定运行，因此对数字式电能表工作时的功耗进行测量十分必要。传统测量功耗采用的是万用表法，即把万用表调到功率档，将其电压测量元件与被测电能表供电电压并联，电流测量元件串入供电回路中，人工读取万用表显示的功率值。

该方法接线较复杂，且容易将电压、电流线接反，导致设备损坏和试验人员危险，同时测量时电能表并未通信和计量，处于待机状态，测量到的是静态功耗，而数字式电能表在通信和计量状态下的动态功耗要远高于待机时的静态功耗，因此传统方法测量的功耗值比电能表正常工作时的功耗值偏小，从而导致测试结果的误判。另一方面，由于电能表交流电源回路中电压、电流并非理想正弦波，存在各种谐波成分，传统的测量方法往往只针对电压、电流基波幅值，不能对交流电源的各次谐波进行有效分析，以至于不能合理地确定数字式电能表交流电源电能质量是否符合要求。因此，有必要研究一种数字式电能表功耗测量的新方法，实现对数字式电能表在计量和待机状态下动态功耗的测量和谐波功率测量，从而对数字式电能表的功耗指标进行有效检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有数字式电能表本身功耗普遍偏大，且无有效手段对其在计量和通信状态下的动态功耗进行实时测量的难题，提供一种适合实验室检测的数字电能表功耗测量方法和实现装置。采用本发明可对智能变电站中数字式电能表的实时功率消耗进行测量，分析其在不同工作状态下的功耗情况，为数字式电能表电气性能指标评价提供有效手段，保证数字式电能表的高效率运行。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种数字式电能表功耗测量装置，包括采样单元、信号调理单元和处理控制单元，所述的采样单元连接被测数字式电能表所检测的电源回路并采集电源回路电压和电流信号，所述的信号调理单元连接采样单元并对所采集的电源回路电压和电流信号进行放大、滤波，并将电压、电流信号模拟量转换为对应的数字量，所述的处理控制单元连接信号调理单元，将时域信号转换为频域信号并计算得到被测数字式电能表的功耗。

所述的一种数字式电能表功耗测量装置，还包括通信接口，处理控制单元通过通信接口连接被测数字式电能表并控制被测数字式电能表在待机状态和计量状态间切换。所述的采样单元包括电流传感器和电压传感器，所述的电流传感器和电压传感器分别连接被测数字式电能表所检测的电源回路，并分别采集电源回路电压和电流信号模拟量。所述的信号调理单元包括依次连接的放大电路、滤波电路和A/D转换器，所述的放大电路连接采样单元，并将采样单元所采集的电压和电流信号模拟量放大后经滤波电路滤波，最后经A/D转换器转换为对应的数字量，A/D转换器连接处理控制单元并将数字量发送至处理控制单元。所述的处理控制单元包括DSP控制器、存储器、人机接口、时钟电路和复位电路，所述的DSP控制器连接信号调理单元并接收转换后的电压和电流数字量，DSP控制器同时通过通信接口连接被测数字式电能表并控制被测数字式电能表在待机状态和计量状态间切换，分别得到不同状态下的电压、电流信号并通过计算得到功耗，DSP控制器通过连接存储器来存储测量数据，DSP控制器通过连接人机接口输出功耗计算结果，DSP控制器通过连接时钟电路和复位电路得到时钟信号和复位信号。

一种数字式电能表功耗测量方法，设置采样单元、信号调理单元和处理控制单元，所述的采样单元连接被测数字式电能表所检测的电源回路并采集电源回路电压和电流信号，所述的信号调理单元连接采样单元并对所采集的电源回路电压和电流信号进行放大、滤波，并将电压、电流信号模拟量转换为对应的数字量，所述的处理控制单元连接信号调理单元，将时域信号通过快速傅里叶变换转换为频域信号并通过计算得到被测数字式电能表的功耗。

所述的一种数字式电能表功耗测量方法，处理控制单元通过设置通信接口连接被测数字式电能表并控制被测数字式电能表在待机状态和计量状态间切换，以检测被测数字式电能表在待机状态和计量状态的功耗。当检测被测数字式电能表计量状态功耗时，处理控制单元通过通信接口向被测电能表发送电压、电流数据帧，被测数字式电能表对所接收的电压、电流数据帧进行计量，处理控制单元测量被测数字式电能表在计量时的功耗，检测被测数字式电能表待机状态功耗时，处理控制单元停止发送电压、电流数据帧，被测数字式电能表停止计量进入待机状态，处理控制单元测量被测数字式电能表在待机时的功耗。

本发明的技术效果在于，采用通信接口与被测数字式电能表实时通信，可在数字式电能表的“计量模式”和“待机模式”下，实时采集被测数字式电能表电源回路电压、电流信号，采用快速傅里叶频域变换技术可以准确地分析出被测数字式电能表在“计量模式”和“待机模式”的实时功率消耗值，以判定其功耗是否符合相关技术要求。该方法比用普通万用表仅测量电能表静态功耗的方法更具科学性，且具有更高的准确度，避免了复杂的接线和触电危险，测试过程全自动化，能够实时测量静态功耗、动态功耗，对被测数字式电能表交流电源电能质量进行有效评价，确保智能变电站设备的节能和可靠运行。