双向计量三相智能电能表的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双向计量三相智能电能表，包括输入前端、输出后端、三相计量模块、内置电力继电器、第一控制端和第二控制端；输入前端连接三相市电网，输出后端以并联的方式分别连接第一接触器单元和第二接触器单元，在输入前端和输出后端之间连接有三相计量模块和内置电力继电器，第一控制端连接第一接触器单元，第二控制端连接第二接触器单元，第一控制端或第二控制端向第一接触器单元或第二接触器单元发送控制信息，控制第一接触器单元或第二接触器单元的闭合与断开。本发明通过双向计量技术，解决了常规的双电表式的并网计量方式，同时可集成智能数据采集，参数管理等功能，是家庭分布式能源发电并网理想的双向计量智能表方案。
【专利说明】双向计量三相智能电能表
【技术领域】
[0001]本发明涉及家庭分布式能源发电并网【技术领域】，尤其涉及一种双向计量三相智能电能表。
【背景技术】
[0002]目前，对于家庭分布式能源发电并网，一般有两种做法，一种是“上网电价，统购统销”政策下的并网方案，此做法是将PV电表接在用户电表之前(即电网一侧)，需要采取双电表并网计量方案。另一种是“净电量计量”政策下的并网方案，此方案长周期计量分布式电站的发电电量和消费电量。对于上述两种计量并网方案，均需要采用双电表计量。而采用两个电表不仅成本增加，而且空间需求也更大，同时增加了故障率，提高了维护成本。
【发明内容】
[0003]基于此，本发明提供了一种双向计量三相智能电能表。
[0004]一种双向计量三相智能电能表，包括输入前端、输出后端、三相计量模块、内置电力继电器、第一控制端和第二控制端；所述输入前端连接三相市电网，所述输出后端以并联的方式分别连接第一接触器单元和第二接触器单元，其中，所述第一接触器单元连接分布式能源发电网，所述第二接触器单元连接三相负载；在所述输入前端和输出后端之间连接有所述三相计量模块和所述内置电力继电器，所述三相计量模块用于对流经电量进行计量;
[0005]所述第一控制端连接所述第一接触器单元，所述第二控制端连接所述第二接触器单元，所述第一控制端或所述第二控制端向所述第一接触器单元或所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元或所述第二接触器单元的闭合与断开。
[0006]与一般技术相比，本发明通过双向计量技术，解决了常规的双电表式的并网计量方式，同时可集成智能数据采集，参数管理等功能，是家庭分布式能源发电并网理想的双向计量智能表方案。本发明采用双向计量技术的智能电能表进行并网，电能表可以配置成代数和计量方式或绝对值的计量方式，具有有功正向，有功反向，无功正向，无功反向计量的功能。双向计量时只需要采用一个电表计量，节省了成本和空间，降低了故障率。同时本发明可以实现系统管理功能，电能表和发电装置逆变、保护主控系统实现通讯，进行数据交互，不仅可以将数据上报给主站系统，利于电力部分管理，并可以开放部分功能给用户，实现电力部门和用户共管。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明双向计量三相智能电能表并网时的结构示意图；
[0008]图2为本发明双向计量三相智能电能表一个优选实施例的结构示意图；
[0009]图3为本发明双向计量三相智能电能表的工作流程示意图。【具体实施方式】
[0010]为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。
[0011]本发明双向计量三相智能电能表，包括输入前端、输出后端、三相计量模块、内置电力继电器、第一控制端和第二控制端；所述输入前端连接三相市电网，所述输出后端以并联的方式分别连接第一接触器单元和第二接触器单元，其中，所述第一接触器单元连接分布式能源发电网，所述第二接触器单元连接三相负载；在所述输入前端和输出后端之间连接有所述三相计量模块和所述内置电力继电器，所述三相计量模块用于对流经电量进行计量;
[0012]所述第一控制端连接所述第一接触器单元，所述第二控制端连接所述第二接触器单元，所述第一控制端或所述第二控制端向所述第一接触器单元或所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元或所述第二接触器单元的闭合与断开。
[0013]请参阅图1,为本发明双向计量三相智能电能表并网时的结构示意图。
[0014]所述输入前端连接三相四线市电网，三相四线电网接入三相智能电能表，电表输出后端通过接触器单元二(即第二接触器单元，下同)接入用户负载端，同时电能表控制2(即第二控制端)可以输出控制信息控制接触器单元二，可以实现接触器的闭合与断开，将用户负载端和前端隔断。另电能表输出后端并联接入接触器单元一(即第一接触器单元，下同)，接触器单元一后端接入发电装置的逆变、主控系统，逆变主控系统的后端在接入发电装置。电能表输出控制I (即第一控制端河以输出控制信息，控制接触器器单元一，实现接触器单元的闭合与断开，将分布式能源发电网和前端电网断开。另外，电能表可以通过485通讯和发电装置实现数据通讯，将相关实时数据等信息通过电能表上报给电力部门的主站系统，并开发部分功能实现电力部门和用户共管，可以得到技术上的保障。同时利于孤岛效应等安全问题的管理，加强电网安全，保障电网检修时人身安全和电器用电安全。
[0015]优选的，所述内置电力继电器用于实现三相市电网的断开与闭合。所述内置电力继电器为120A的磁保持继电器。
[0016]优选的，所述第一接触器单元连接分布式能源发电网中的逆变主控系统，所述逆变主控系统连接分布式能源发电网中的发电装置。
[0017]作为其中一个实施例，当三相市电网单独给三相负载供电时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元断开，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭
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[0018]当市电网单独给负载供电时，三相电能表内置电力继电器闭合，电能表控制接触器单元一，接触器断开将分布式能源发电网断开，同时控制接触器单元二，接触器闭合将负载端接入电网，此时，只有电网给负载供电，电流方向为正向，电能表正向计量，负载端消费多少电量可以全部计量。
[0019]作为其中一个实施例，当分布式能源发电网单独给三相负载供电时，所述内置电力继电器断开，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭合。[0020]当分布式能源发电网单独给负载供电时，三相电能表内置电力继电器断开，电能表控制接触器单元一，接触器闭合将发电网接入。同时控制接触器单元二，接触器闭合将负载端接入发电网，实现发电网单独给负载供电。
[0021]作为其中一个实施例，当将分布式能源发电网的全部电量供给三相市电网时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元断开。
[0022]当将发电网全部电量供给市电网时，三相电能表内置电力继电器闭合，电能表控制接触器单元一，接触器闭合将发电网接入。同时控制接触器单元二，接触器断开将负载端断开，实现发电网全部电量供给市电网。此时，电能表控制发电装置主控系统，使发电网电参数符合并网要求，才允许并网。电能表电流方向为反向，电能表反向计量，发电网给市电网供的电量可以全部计量。
[0023]作为其中一个实施例，当分布式能源发电网的发电量大于三相负载的消耗电量，分布式能源发电网同时给三相负载和三相市电网供电时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭合。
[0024]当发电量大于消费电量时，发电网给负载端供电的同时给市电网供电，三相电能表内置电力继电器闭合，电能表控制接触器单元一，接触器闭合将发电网接入。同时控制接触器单元二，接触器闭合将负载端接入发电网，实现发电网给负载端供电的同时给市电网供电。此时，电能表控制发电装置主控系统，使发电网电参数符合并网要求，才允许并网。由于消费电量少于发电量，发电网多余的电量也供给了市电网，电能表电流方向为反向，电能表反向计量，发电网给市电网供的电量可以全部计量。
[0025]作为其中一个实施例，当分布式能源发电网的发电量小于三相负载的消耗电量，分布式能源发电网和三相市电网同时给三相负载供电时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭合。
[0026]当发电量小于消费电量时，发电网给负载端供电的同时市电网也给负载端供电，三相电能表内置电力继电器闭合，电能表控制接触器单元一，接触器闭合将发电网接入。同时控制接触器单元二，接触器闭合将负载端接入电网，实现发电网，市电网同时给负载端供电。此时，电能表控制发电装置主控系统，使发电网电参数符合并网要求，才允许并网。由于消费电量多于发电量，市电网供一部分不够的电量，电能表电流方向为正向向，电能表正向计量，市电网给负载端供的电量可以全部计量。
[0027]当和电力公司结算时，若采用“上网电价，统购统销”政策结算，只需要把反向电量(即分布式能源发电网供的电量)采取高价补贴的形式卖给电力公司，正向电量(即消费电量)按照正常价格计费。这样就可以实现“上网电价，统购统销”政策性下的电量结算。
[0028]若采用“净电量”政策结算，只需要把反向电量(即分布式能源发电网供的电量)和正向电量(即消费电量)做代数和计算，就是把发电网供给市电网和消费电量抵充。这样就可以实现净电量策性下的电量结算。
[0029]本方案的智能电能表是基于罗氏线圈采样技术的宽量程三相电能表，和常规电能表比较，具有电压工作范围宽(相电压AC45V?300V)，电流测量量程宽(5?IOOA)，超宽的温度工作范围(_40°C?+70°C)，低温升，误差稳定，防强磁，抗直流分量等优点。
[0030]在实现本发明双向计量三相智能电能表时，可对电能表参数设定如下要求:
[0031]电能表参数:测量电压范围:3X45V?300V (相电压);额度测量电流:5A ;最大测量电流:100A ;额定测量频率:50Hz ;准确度等级:有功classl，无功class2 ;脉冲常数:有功1000imp/KWh，无功lOOOimp/Kvarh ;工作温度范围:_40°C?+70°C;接线方式:三相四线；表接入方式:直接接入式
[0032]电能表性能要求:起动电流:0.2%Ib ;潜动:当对电能表施加额定测量电压、
0.l%Ib、额定工作电压时，应不计量；绝缘等级:4000V ac ;防尘防水等级:IP54 ;功耗:1W(不带GPRS模块)；
[0033]产品功能要求:
[0034]电能计量模式:支持多费率计量方式；具有正反向计量方式；可配置代数和计量方式；可配置绝对值计量方式；
[0035]电参量瞬时值:瞬时电压；瞬时电流；瞬时频率；瞬时功率；
[0036]故障检测:CPU工作异常；存储器故障；计量链路异常；
[0037]通讯接口:GPRS模块兼容PLC模块；RS485通讯；光电通讯；MBUS通讯；
[0038]脉冲输出接口:LED脉冲输出，符合IEC标准；电脉冲输出，符合IEC标准；
[0039]结构设计要求:直接式接线方式；外形尺寸符合国网三相智能表结构标准；铅封加防盗螺钉；防护等级:IP54 ;抗振设计符合国网标准；电磁兼容性能符合国网智能三相表标准。
[0040]对于硬件实现，优选的，硬件电路可由如下部分组成:电源管理，电量采集，数据处理，通讯模块，人机界面等。具体可参阅图2，为本发明双向计量三相智能电能表一个优选实施例的结构示意图。
[0041]电源管理部分，电源管理部分主要是通过开关电源芯片实现交流转直流，用于电表内部工作的供电，功率可达10W，能够保证此设计的最大工作用电需求。
[0042]采用型号为T0P258的高效AD-DC开关电源芯片，最高输出功率可达10W，平均效率在80%以上，具有超宽的电压工作范围，主路输出供给主电路单元，辅助输出供给模块和通讯接口电路，辅助输出电源和交流输入间满足隔离4000V耐压要求。
[0043]电量采集部分:电压采样通过高精密，低温漂电阻分压网络进行电压采样，并通过RC滤波将电压采样信号送入三相计量芯片。电流采样通过高性能罗氏线圈进行电流采样，并通过RC滤波将电流采样信号送入三相计量芯片。计量芯片采用IDT公司的IDT90E36三相电能计量芯片，这是一款高精度三相计量芯片，可以测量线路电压、电流，频率。可以计算有功功率，无功功率，视在功率以及瞬时均方根电压、电流。片内集成了 7个单独的2阶sigma-delta ADC,可实现三相四线系统中的三个电压通路(Α,Β和C相)和四个电流通路(Α，B, C相和中线)，支持零线电流测量，窃电检测。附加通道集成了完整的信号路径，允许执行各种测量。各输入通道均支持独立且灵活的增益级，因此该器件适合与各种电流传感器一起使用，如罗氏线圈，电流变压器(CT)和低阻值分流电阻等。三相计量芯片可以通过SPI通信接口访问片内计量寄存器，实现相关数据的读取，电能表校准。三相计量芯片的数据处理选用ST公司32位ARM处理器STM32L151VD，基于ARM@ Cortex TM-M3内核、掉电模式功耗低，非常适合电池供电的应用。具有运算速度快，低功耗等特点，保证了采集电网电量信息以及通讯的实时性。主控芯片主要负责外围各个模块电路的管理。
[0044]通讯模块部分:GPRS模块，主要负责和集中器和数据采集器等上行设备间的数据交换，将实时数据发送给主站系统，并实现主站对电能表的相关操作。PLC模块和GPRS模块接口兼容可替换，主要是负责通过电力线路载波通讯实现和采集器的数据交换，实现采集器的数据抄读等。光电通讯主要实现上位机直接和电能表的通讯，实现电量，实时数据的抄读，其他功能部分的配置等。RS485接口主要实现，电能表之间的级联，数据交换，采集器的数据抄读等。同时本方案兼容和分布式能源发电装置逆变、保护主控系统间的RS485通讯方式，可以实现电网数据共享，实现电能表对发电装置的主控系统操作，主站系统对发电系统的管理，孤岛效应的防护等。MBUS通讯兼容国际标准的meter bus总线接口可以实现对兼容MBUS接口的水表，气表，热表的抄读，实现家庭分布式能源方案的智能管理。
[0045]数据处理:采用一片256K bit的EEPROM存储器实现校准数据，电表相关配置信息的存储。
[0046]采用一片64K bit的铁电存储器用于存储电量之类的重要数据。采用一片16Mbit的dataflash用于负荷曲线的存储，固件远程升级。
[0047]人机界面:液晶显示采用160段的段式液晶，液晶的显示是通过专用液晶驱动芯片来实现的。电表具有2个轮显按键，其中一个为编程键可以铅封锁住。另外，电表具有开表盖检测按键，开端盖按键。
[0048]其它部分电路:电表内置一款120A的磁保持继电器，用于拉闸实现电网的断开。电表具有2路控制输出，用于控制外部接触器单兀的切断，闭合。电表板载一片磁感应芯片，用于检测外部磁场，实现强磁窃电的检测。电表采用一片硬件RTC芯片作为电表的时钟单元。电表还内置了硬件看门狗芯片，以保证系统的稳定运行。
[0049]对于软件实现部分，采用前后台交互的单线程软件流程，并按功能划分若干软件模块，以利于提高程序代码的可维护性、移植性和协同性，主要包括以下几个功能模块:计量处理模块；通讯处理模块；任务轮循处理模块；掉电处理模块。
[0050]请参阅图3，为本发明双向计量三相智能电能表的工作流程示意图。
[0051 ] 实测误差数据:实测数据是通过实验室电能表检测平台检测的数据，是属于标准误差检定方法，采用电能表检定台全自动检测，比较对象是标准功率源。详请可参考电能表误差检测方法。
[0052]对本发明双向计量三相智能电能表的实测误差数据结果见表I至表4。其中:
[0053]表I为本发明双向计量三相智能电能表的有功正向计量的实测误差数据；
[0054]表2为本发明双向计量三相智能电能表的有功反向计量的实测误差数据；
[0055]表3为本发明双向计量三相智能电能表的无功正向计量的实测误差数据；
[0056]表4为本发明双向计量三相智能电能表的无功反向计量的实测误差数据。
[0057]与一般技术相比，本发明通过双向计量技术，解决了常规的双电表式的并网计量方式，同时可集成智能数据采集，参数管理等功能，是家庭分布式能源发电并网理想的双向计量智能表方案。本发明采用双向计量技术的智能电能表进行并网，电能表可以配置成代数和计量方式或绝对值的计量方式，具有有功正向，有功反向，无功正向，无功反向计量的功能。双向计量时只需要采用一个电表计量，节省了成本和空间，降低了故障率。同时本发明可以实现系统管理功能，电能表和发电装置逆变、保护主控系统实现通讯，进行数据交互，不仅可以将数据上报给主站系统，利于电力部分管理，并可以开放部分功能给用户，实现电力部门和用户共管。
[0058]表1本发明双向计量三相智能电能表的有功正向计量的实测误差数据
【权利要求】
1.一种双向计量三相智能电能表，其特征在于，包括输入前端、输出后端、三相计量模块、内置电力继电器、第一控制端和第二控制端；所述输入前端连接三相市电网，所述输出后端以并联的方式分别连接第一接触器单元和第二接触器单元，其中，所述第一接触器单元连接分布式能源发电网，所述第二接触器单元连接三相负载；在所述输入前端和输出后端之间连接有所述三相计量模块和所述内置电力继电器，所述三相计量模块用于对流经电量进行计量； 所述第一控制端连接所述第一接触器单元，所述第二控制端连接所述第二接触器单元，所述第一控制端或所述第二控制端向所述第一接触器单元或所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元或所述第二接触器单元的闭合与断开。
2.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，所述输入前端连接三相四线市电网。
3.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，所述内置电力继电器用于实现三相市电网的断开与闭合。
4.根据权利要求3所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，所述内置电力继电器为120A的磁保持继电器。
5.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，所述第一接触器单元连接分布式能源发电网中的逆变主控系统，所述逆变主控系统连接分布式能源发电网中的发电装置。
6.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，当三相市电网单独给三相负载供电时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元断开，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭合。
7.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，当分布式能源发电网单独给三相负载供电时，所述内置电力继电器断开，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭合。
8.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，当将分布式能源发电网的全部电量供给三相市电网时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元断开。
9.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，当分布式能源发电网的发电量大于三相负载的消耗电量，分布式能源发电网同时给三相负载和三相市电网供电时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器单元闭合。
10.根据权利要求1所述的双向计量三相智能电能表，其特征在于，当分布式能源发电网的发电量小于三相负载的消耗电量，分布式能源发电网和三相市电网同时给三相负载供电时，所述内置电力继电器闭合，所述第一控制端向所述第一接触器单元发送控制信息，控制所述第一接触器单元闭合，所述第二控制端向所述第二接触器单元发送控制信息，控制所述第二接触器 单元闭合。
【文档编号】G01R11/57GK103645363SQ201310674698
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】党三磊, 肖勇, 李健, 武占河, 陈凯, 张捷, 张思建, 刘健, 梁国锋, 林兆淘, 蔡联溪, 危阜胜 申请人:广东电网公司电力科学研究院