专利名称：一种基于合金电阻的综合传感计量装置及其实现方法
技术领域：
本发明属于电力系统自动化信息采集与控制领域，具体涉及一种基于合金电阻的综合传感计量装置及其实现方法。
背景技术：
目前，智能电网已成为全球能源发展和变革中的重大研究课题。智能电网的基本思想是利用先进的数字化信息网络将发电、输电、变电、配电和用电服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其他用能设施连接在一起，通过智能化控制实现对电能的管理，通过精确供能、对应供能、互助供能和互补供能等方式，达到提高资源利用效率，提高供电质量和可靠性的目标。传感器和测量技术是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键。只有采用先进的传感技术，建设发达的传感器网络，再配合发达的通信体系和仿真技术，才能实现整个电网智能化。在传统的电力系统测控、保护和计量技术领域，由于电网和电力设备的具有高电压强电流，而保护或测控等二次设备属于弱电电子设备，因此两者之间具有天然的鸿沟。因此，传统的技术在电力系统一次与二次系统之间建立了屏障，打破两者的电气联系，利用电磁或光学转换作为双方联系的纽带。尽管电气测量和计量从最初的模拟技术走入了数字化阶段，在设备小型化等方面也取得了重大进展。但是，其本质未发生根本变化，电磁或光学转换原理复杂，线性化不够理想且不稳定，一次与二次系统之间的隔阂依旧，频率响应、动态特性以及交直流等电气特性依然对通过电磁转换或光学转换的电气测量的可靠性和通用性等方面构成潜在威胁。
发明内容
针对现有技术的不足，打破电气传感测量中，一次系统与二次系统电气连接的鸿沟，不再借助于电磁转换或光学转换等方法，利用纯电路原理实现电力系统电流、电压、功率和电量的感知测量。本发明提出一种基于合金电阻的综合传感计量装置及其实现方法，利用两套合金电阻作为传感器的核心元件，实现电力系统强电设备与弱电设备的电气关联，简化电气测量的原理，改善其对于电力系统频率、动态等特性的适应性，并提高精度缩小体积。本发明提供的一种基于合金电阻的综合传感计量装置，其改进之处在于，所述计量装置包括电压测量单元A、大阻抗器件、电压测量单元B、微控制器和供电单元；所述电压测量单元A串入测量电路，所述电压测量单元B与所述大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；所述电压测量单元A和所述电压测量单元B分别测量到电压后传给所述微控制器；所述微控制器分别计算出电流、电压、功率和电量后输出； 所述供电单元为所述电压测量单元A、所述电压测量单元B和所述微控制器供电。
其中，所述传感计量装置包括外围显示与交互设备，用于显示所述微控制器得出的数据。其中，所述电压测量单元A和电压测量单元均包括合金电阻、电压感应装置和模数转换器；对于测量单元A:将合金电阻I串入测量电路，电压感应装置I测量出合金电阻两端的电压后，通过模数转换器转换成数字信号输出至所述控制器；对于测量单元B:将合金电阻II与所述大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；电压感应装置II测量出合金电阻两端的电压后，通过模数转换器转换成数字信号输出至所述控制器。其中，所述合金电阻的阻值小于0.001欧姆。其中，所述计量装置包括通信单元，用于所述控制器的远程输出；当所述控制器向远端或后台提供测试数据时，通过所述通信单元进行传输。其中，所述大阻抗器件包括大阻抗电容或电阻，其阻值根据现场应用环境确定。本发明基于另一目的提供的一种综合传感计量装置的实现方法，其改进之处在于，将电压测量单元A串入测量电路，将电压测量单元B与大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；所述电压测量单元A和 所述电压测量单元B分别测量到电压后传感微控制器；所述微控制器分别计算出测试电流、测试电压、测试功率和测试电量后输出；其中，所述供电单元为所述电压测量单元A、所述电压测量单元B和所述微控制器供电。其中，所述微控制器根据所述电压测量单元A得到的电压和所述合金电阻的阻值得到测试电流值，并通过时钟标记时标。其中，所述微控制器根据所述电压测量单元B得到的电压和所述合金电阻的阻值得到电流值，再根据电流值、合金电阻阻值和大阻抗器件的阻值得到测试电压值，并通过时钟标记时标。其中，所述微控制器根据得到的测试电压值和测试电流值，通过比对时标的方式，得到同一时刻的对应测试功率值。其中，所述微控制器根据得到的测试功率值，和以及用户设定的需求，通过积分运算得到指定时段内的测试电量值。其中，当所述控制器向远端或后台提供测量数据时，所述控制器通过通信单元进行传输。与现有技术比，本发明的有益效果为:本发明的综合传感计量装置一次部分与二次部分具有直接的电气连接，无任何电磁或光学转换过程，输出的测量值与被测电流之间具有简单的基于电路理论的电气关联，原理简单、线性良好，不存在温漂、抗机械振动能力差和体积过大等问题，同时改善其对于电力系统频率、动态等特性的适应性，并提高精度缩小体积。本发明的综合传感计量装置，测量所得电流、电压、功率和电量值进行数字化输出、易于与微控制器的接口处理，传递的数字信息可通过以太网UDP/IP通讯协议进行传递，方便安装、运营和维护。本发明与基于霍尔效应传感器元件的装置相比，无饱和、温漂小、抗机械振荡能力强、绝缘简单、体积小，全量程线性度好、精度高。与新型光纤电流传感器、电压传感器相比，其结构简单，消除了光学互感器环境适应性差、温漂大、抗干扰能力差的缺点，更适宜大规模推广使用。本发明的合金电阻的阻值小于0.001欧姆，保证了装置的安全性和准确性。
图1为本发明提供的综合传感计量装置的原理图。图2为本发明提供的综合传感计量装置的电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。本实施例提出的一种基于合金电阻的综合传感计量装置，包括电压测量单元A、大阻抗器件、电压测量单元B、微控制器、供电单元和通信单元；其原理图如图1所示，图中，W1、W2直接与被测电路相连接，W3、W4是感测线路；W5、W6与大阻抗器件构成的测量支路相连接，W7、W8是感测线路，基于合金电阻A和B的测量装置，Y是外围放大电路。输出端A和B分别输出两套合金电阻上所测量到的电压降落。该计量装置包含两套由高精密的合金电阻为核心的电压测量单元A和B。电压测量单元A的合金电阻直接串联接入被测电路(电网高压端)。电压测量单元B的合金电阻与大阻抗器件(电阻或电容)串联后形成测量支路，该测量支路并联接入被测量点与零电位之间。两套合金电阻具有足够小和精度稳定的欧姆值，强电流流过合金电阻所产生的电压降落在弱电测量设备的测量范围之 内。利用测量单元A所测量的电压降落与A的合金电阻值通过电路原理计算出测量单元A所流过的电流值。基于相同原理计算出流过测量单元B的电流值。根据已知的大阻抗器件和合金电阻B的阻抗值计算出测量支路的总阻抗，通过所获得的测量单元B电流值与总阻抗计算出电压测量点与零电位之间的电压值。通过内部时钟为以上测量采样值打上时标。利用所获得的被测电路电流值，以及被测量点的电压值，通过比对时标，利用电路原理计算同一时刻的对应功率值。根据所计算的各时刻的功率值，以及用户设定的需求，通过积分运算计算出指定时段内的电能总量。具体的，如图2所示，本实施例的综合传感计量装置包括电压测量单元A、大阻抗器件、电压测量单元B、微控制器、供电单元、通信单元和外围显示与交互设备；电压测量单元A串入测量电路，电压测量单元B与所述大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；述电压测量单元A和电压测量单元B分别测量到电压后传感微控制器；微控制器分别计算出电流、电压、功率和电量后输出，或者通过外围显示与交互设备显示；其中，供电单元为电压测量单元A、电压测量单元B、微控制器和通信单元通信。本实施例所述电压测量单元A和电压测量单元B均包括合金电阻、高灵敏度的电压感应装置以及模数转换器:
对于测量单元A:将合金电阻I串入测量电路，电压感应装置I测量出合金电阻两端的电压后，通过模数转换器转换成数字信号输出至所述控制器；对于测量单元B:将合金电阻II与所述大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；电压感应装置II测量出合金电阻两端的电压后，通过模数转换器转换成数字信号输出至所述控制器。本实施例的合金电阻具有足够小和精度稳定的欧姆值(小于0.001欧姆)，强电流流过合金电阻所产生的电压降落在弱电测量设备的测量范围之内。合金电阻可采用镍铬合金、铜镍合金等。本实施例的大阻抗器件用于承受电网高压端的电压，其包括大阻抗电容或电阻。根据电压等级、电路的容性或感性等实际情况选择。例如电路为感性的IOkV电压，可选择电阻为IOk欧姆以上。本实施例的微控制器是该计量装置的数据处理和计算的核心单元，可按照设定程序对输入的两项电压测量结果进行处理运算。所串接的合金电阻A和B的特征信息，包括其欧姆值；与合金电阻B串联接入的大阻抗器件的特征信息，包括其欧姆值等，通过交互接口提前预置于微控制器存储单元内。微控制器在接获两项测量电压值后，可按照预先内置程序利用测量单元A所测量的电压降落与A的合金电阻值通过电路原理计算出测量单元A所流过的电流值。微控制器基于相同原理计算出流过测量单元B的电流值。根据已知的大阻抗器件和合金电阻B的阻抗值计算出测量支路的总阻抗，通过所获得的测量单元B电流值与总阻抗计算出电压测量点与零电位之 间的电压值。通过内部时钟为以上测量采样值打上时标。微控制器利用所获得的测试电路电流值，以及被测量点的电压值，通过比对时标，利用电路原理计算同一时刻的对应功率值。进一步根据所计算的各时刻的功率值，以及用户通过交互设备设定的需求，通过积分运算计算出指定时段内的电能总量。此外，根据该装置应用场景和环境的需求，如对所测量数据有其它进一步的处理需求，可以通过对微控制器处理程序的设定灵活实现，使该装置具有智能化特性。如该计量装置作为其它智能电器的组件，可将处理结果由微控制器通过本地输出(如串口)，与其它设备处理单元接口并驱动。如该计量装置需要向远端或后台等提供测量数据，则微控制器将处理结果输出给专用通讯单元。通讯单元根据现场通讯通道和协议的要求，例如以太网UDP/IP通讯协议，将测量数据进行处理后向后台远端进行传输。而且，无论是本地输出还是远端输出，所获得的被测电路电流值、测量点电压值、功率以及电能总量可以各自输出，即可作为电气测量的传感装置，也可以作为计量表计。本实施例的供电单元采取适合现场应用环境的技术，对电压测量单元、微控制器以及通信单元提供直流24V驱动电力。本实施例的外围显示与交互设备与微控制器双向交互，可就地显示传感和计量信息，也可通过交互接受用户对测量和计量的需求指令。本专利基于新型采集材料(合金电阻)设计的新型电压电流传感器数据采集装置，将开创国内电力系统测量领域的先河，可实现与保护控制设备的直接弱电接口，且具有良好的测量性能，与传统电流和电压互感器性能对比如下表I和表2。表1:新型智能型电子式数据采集装置与传统电流互感器性能对比
权利要求
1.一种基于合金电阻的综合传感计量装置，其特征在于，所述计量装置包括电压测量单元A、大阻抗器件、电压测量单元B、微控制器和供电单元； 所述电压测量单元A串入测量电路，所述电压测量单元B与所述大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地； 所述电压测量单元A和所述电压测量单元B分别测量到电压后传给所述微控制器；所述微控制器分别计算出电流、电压、功率和电量后输出； 所述供电单元为所述电压测量单元A、所述电压测量单元B和所述微控制器供电。
2.如权利要求1所述的综合传感计量装置，其特征在于，所述传感计量装置包括外围显示与交互设备，用于显示所述微控制器得出的数据。
3.如权利要求1或2所述的综合传感计量装置，其特征在于，所述电压测量单元A和电压测量单元均包括合金电阻、电压感应装置和模数转换器； 对于测量单元A: 将合金电阻I串入测量电路，电压感应装置I测量出合金电阻两端的电压后，通过模数转换器转换成数字信号输出至所述控制器； 对于测量单元B: 将合金电阻II与所述大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；电压感应装置II测量出合金电阻两端的电压后，通过模数转换器转换成数字信号输出至所述控制器。
4.如权利要求3所述的综合传感计量装置，其特征在于，所述合金电阻的阻值小于0.001欧姆。
5.如权利要求1所述的综合传感计量装置，其特征在于，所述计量装置包括通信单元，用于所述控制器的远程输出；当所述控制器向远端或后台提供测试数据时，通过所述通信单元进行传输。
6.如权利要求1所述的综合传感计量装置，其特征在于，所述大阻抗器件包括大阻抗电容或电阻。
7.一种综合传感计量装置的实现方法，其特征在于，将电压测量单元A串入测量电路，将电压测量单元B与大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地； 所述电压测量单元A和所述电压测量单元B分别测量到电压后传感微控制器；所述微控制器分别计算出测试电流、测试电压、测试功率和测试电量后输出；其中，所述供电单元为所述电压测量单元A、所述电压测量单元B和所述微控制器供电。
8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述微控制器根据所述电压测量单元A得到的电压和所述合金电阻的阻值得到测试电流值，并通过时钟标记时标。
9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述微控制器根据所述电压测量单元B得到的电压和所述合金电阻的阻值得到电流值，再根据电流值、合金电阻阻值和大阻抗器件的阻值得到测试电压值，并通过时钟标记时标。
10.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述微控制器根据得到的测试电压值和测试电流值，通过比对时标的方式，得到同一时刻的对应测试功率值。
11.如权利要求7所述的综 合传感计量装置，其特征在于，所述微控制器根据得到的测试功率值，和以及用户设定的需求，通过积分运算得到指定时段内的测试电量值。
12.如权利要求7所述的综合传感计量装置，其特征在于，当所述控制器向远端或后台提供测量数据 时，所述控制器通过通信单元进行传输。
全文摘要
本发明公开了一种基于合金电阻的综合传感计量装置及其实现方法，该装置包括电压测量单元A、大阻抗器件、电压测量单元B、微控制器、供电单元和通信单元；电压测量单元A串入测量电路，电压测量单元B与大阻抗器件串联后一端连接测量电路的测量点，另一端接地；电压测量单元A和电压测量单元B分别测量到电压后传给微控制器；微控制器分别计算出电流、电压、功率和电量后输出；供电单元为所述电压测量单元A、所述电压测量单元B、所述微控制器和所述通信单元供电。本发明实现了无饱和、温漂小、抗机械振荡能力强、绝缘简单、体积小，且结构简单，消除了光学互感器环境适应性差、温漂大、抗干扰能力差的缺点，更适宜大规模推广使用。
文档编号G01R15/12GK103245813SQ20131010355
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者雷宪章, 吕志来, 薛飞 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院