專利名稱：一種工頻交流量的測量方法及其測量前端的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及供電網中交流電流、電壓、電度、功率等工頻交流量的測量方法及其設備(測量前端)，屬電力及計算機領域。
目前，在工頻交流量的測量中已逐步淘汰傳統(tǒng)的電磁測量方式，而以電子測量技術取而代之。電子測量方式精度高、功耗省、體積小、功能強，但成本較高，為了降低成本，通常在不降低性能和精度的情況下盡量提高測點數(shù)量。交流測量的結果是以線路的概念給出的，一條線路的測量結果(例如功率、電度、功率因數(shù)等)與這條線路的電壓、電流以及兩者之間的關系有關，而每一條線路由于其“制式”的不同(單相線路、三相三線制線路、三相四線制線路)所需要的CT、PT通道數(shù)也不同，單個CT、PT通道通常是沒有意義的。正是這個原因，一般的交流測量儀表在型號定義時必須以線路制式和數(shù)量作為依據(jù)之一，不同的線路制式和數(shù)量的組合被定義為一個規(guī)格，例如某種規(guī)格的測量儀可測量5條三相三線制線路，而另一種規(guī)格的儀表可測量3條三相三線制線路和2條三相四線制線路，當用戶的實際線路配置情況不能符合這種組合時，將造成資源的浪費。同時用戶在使用上也缺乏靈活性。
針對以上缺陷，本發(fā)明提出了一種新的思想，這種思想的核心仍然以毫無意義的獨立的CT、PT通道而不是以線路作為基本測量元素，通過用戶在現(xiàn)場的設置將無意義的獨立CT、PT變成有意義的實際被測交流線路的具體參數(shù)?；谶@種思想，本設計中通過“命令”進行測量線路制式的配置，用戶可以完全根據(jù)其實際線路情況按照順序依次接入CT和PT測點，而不管其制式如何，然后通過“命令”將具體的線路制式及所連接的通道號告訴前端，前端提供的CT、PT通道可由用戶任意配置使用。例如，前端提供的16個CT通道可配置為16個單相線路、或8個三相三線制線路、或5個三相四線制線路，也可以是不同制式線路的任意組合，只要所用的CT總數(shù)不超過16個就行。
依據(jù)上述設計思想，本發(fā)明所采取的測量方法是將被測電流、電壓直接或通過一次電流、電壓互感器接入與被測線路線制相匹配的測量前端CT、PT端子，其特征是測量前端提供的所有CT、PT通道，由用戶按實際要求設置組合，以匹配單相、三相三線、三相四線制的測量。由用戶按實際要求設置組合以匹配任意線制的方式可以是測量前端接受上位機通過網絡發(fā)來的“線路模式設置”命令，向被測用戶提供與任意線制隨機匹配的CT及PT測量通道。對于同一線制的被測量，多條被測線路的PT值共享，即如果一臺前端所測量的線路屬于一個母線，則只需要接入一組PT，而讓所有其他被測量共享這組PT ；如果被測對象采用雙母線供電，則多條被測線路的PT值采取“動態(tài)共享”，即對雙母線供電線路中的CT指定兩組PT，用前端提供的開并量輸入通道監(jiān)視母線切換開關的動作，前端根據(jù)母線切換開關的狀態(tài)，自動選擇兩組PT之一進行電度、功率等電氣參數(shù)測量和計算。上述方法的測量步驟如下①將被測的交流信號依次接入測量前端的若干CT及PT端子，每一組CT和PT通道均設有兩個接線端子，一條單相線路接一組CT和一組PT通道，一條三相線制線路接兩組連續(xù)的CT和PT通道，一條三相四線制線路接三組連續(xù)的CT和PT通道，應注意電壓、電流的同名端，根據(jù)前端上提供的CT和PT端子總數(shù)量，按需任意組合接入用戶實際若干條不同線制的被測線路；②當多條線路制式相同，且源自同一母線，則第二、三……條線路只需要接入CT信號，PT信號與第一條線路共享，如果是雙母線供電，對第一條線路接線時，應為該線路分別接入兩個母線的PT，并將母線切換開關狀態(tài)引入前端開入通道，第二、三……條線路只需要接入CT信號；③按照實際線路的聯(lián)接情況(制式、CT、PT通道號等)對接入前端的每條線路設置其測量模式，前端將按照用戶設定的測量模式中所給出的該線路的制式、CT通道號、PT通道號等信息，通過內部軟、硬件實現(xiàn)與實際線路完全相符的交流量測量。根據(jù)上述測量方設計的測量前端，包括①前端上設有用于交流電流、電壓測量的接入端子、開關量輸入/輸出端子、網絡通訊端子等；②前端機殼內設有以CPU為核心的采集數(shù)據(jù)計算整理的軟、硬件；③供實時顯示、監(jiān)測的接口端子；④掉電數(shù)據(jù)保護電路；其特征是該前端還包括⑤為了通過“命令”實現(xiàn)靈活的測量，前端內設置了受CPU控制的數(shù)字信號處理及邏輯控制電路和受控于該電路的隔離及信號切換電路及A/D和采樣保持電路。隔離及信號切換電路直接與前端CT、PT輸入端子相連接，控制信號控制該電路接入哪幾路CT、PT通道，被接入的CT、PT通道信號經過信號調理電路送入A/D轉換器，經A/D轉換為數(shù)字信號后由CPU讀取最終的測量結果。
下面通過附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步說明。


圖1為體現(xiàn)本發(fā)明思想的不同線制隨機匹配方式；圖2為傳統(tǒng)的CT、PT連接方式；圖3為多組CT共享一組PT；圖4為傳統(tǒng)的雙母線供電切換方式；圖5、6為雙母線供電下，動態(tài)共享PT的自動切換方式；圖7為本發(fā)明測量前端的外形；圖8為本發(fā)明測量前端的電原理框圖(略去了公知的次要模塊)；圖9為本發(fā)明測量前端的所有接線端子；圖10為本發(fā)明采取動態(tài)PT共享的一種測量流程；圖11、12為與圖8相應的模式命令處理及測量過程流程圖。
參看圖1，用戶的系統(tǒng)中可能包含多種不同的線制，本發(fā)明前端允許不同線制的線路混合接入。接線時應注意對一條線路而言，應按照上述各個線制的接線要求，順序地接入被測量線路所需的CT或PT(相同線制和同一母線電壓的PT可共享)，單相線路接入一個CT(和PT)，三相三線制線路接入A、C相CT(和UAB、UCB兩個PT)，三相四線制線路接入三個CT(和PT)。例如對于圖1中的6個CT通道，如果前3個通道已被一條三相四線制線路A1占用，則剩下的3個通道可以再接入一條三相四線制線路A2，也可以接入一個單相線路B和一條三相三線制線路C。
交流測量還有一個特點，即多條線路的電壓是相同的，它們均源自一個“母線”。針對這個特點，本發(fā)明前端提出了共享(共用)PT的思想，也就是如果一臺前端所測量的線路屬于一個母線，則只需要接入一組PT，讓所有線路共享這組PT。這樣的設計不但簡化了用戶接線，而且節(jié)省了一次PT的資源。參見圖3，由圖中可看出，A母線上的三條出線的3組CT共用1組PT(沒有陰影)，B母線上的兩條出線的2組CT也共用1組PT(有陰影)。而傳統(tǒng)的設計每條線路均需要同時連接各自的CT、PT，多使用了四組PT，參見圖2。
在可靠性要求比較高的場合，通常采用“雙母線”供電的方案，在這種情況下進行出線線路測量時比較復雜，一般采用母線開關的輔助接點分別切入兩條母線的電壓來測量不同母線供電時該線路的電氣參數(shù)，參見圖4，圖中K為互鎖的切換開關。在多出線的情況下根本無法實現(xiàn)PT的共用，本發(fā)明前端在原來的PT共享基礎上又提出PT的動態(tài)共享來解決這種問題，即對“雙母線”供電線路中的CT指定兩組PT，用前端提供的開入通道監(jiān)視母線切換開關的動作，前端根據(jù)母線切換開關的狀態(tài)自動選擇兩組PT之一進行電氣參數(shù)測量。參見圖5，為出線CT與A母線PT關聯(lián)，圖6為出線CT與B母線PT關聯(lián)，圖中K1來自切換開關輔助接點，K為互鎖的切換開關。既提高了測量精度又增強了可靠性，由于多條線路可共享PT，也節(jié)省了PT資源。
圖7為測量前端外形正面圖，與傳統(tǒng)已有的測量前端區(qū)別不大。圖中1為電源輸入端子，2為直流24V輸出端子，3為開關量輸入/輸出端子，4為局部通信口，5為網絡通信端子，6為LED指示，7為接線指示，8為銘牌，9、10分別為若干PT及CT端子。
圖9為本發(fā)明一個系列產品的一種接線端子排列。圖中并未給出線路號，而只給出了CT、PT通道號，當用戶接實際現(xiàn)場情況接完線以后再貼上有線絡標識的標簽，則前端就成為由用戶定制了其輸入線路特征的符合用戶特定測量要求的專用前端，圖中標號說明與圖7一致。
前端實現(xiàn)測量的過程敘述如下參看圖8，例如要測量一條三相四線制線路的三相電流，我們假設使用前端的第5、6、7號CT通道測量該線路的三相電流，使用第1、2、3號PT通道測量其電壓。
1.依次將該線路一次CT的A、B、C三相輸出接入前端的第5、6、7號CT輸入通道，PT信號與其他線路共用1、2、3號PT輸入通道，無須連接；2.通過計算機，向前端發(fā)送線路設置命令“LN4M3CT5PT1”。該命令的含義是第4條線路(線路序號根據(jù)前幾個通道已接入的線路數(shù)而定)，三相四線制，使用從第5號CT通道開始的三個連續(xù)CT通道和從第1號PT通道開始的三個連續(xù)PT通道進行測量(測量線路的功率、電度等參數(shù)需要相關的電壓值)。前端收到命令后，將第4條線路的設置參數(shù)存放在前端內部的相關數(shù)據(jù)單元中。
3.當前端開始進行第4條線路的測量時，首先由“CPU”從第4條線路的參數(shù)區(qū)讀取線路模式設置參數(shù)，由“數(shù)字信號處理及邏輯控制”模塊根據(jù)“CPU”的指示，向“隔離電路及信號切換”模塊發(fā)出控制信號，讓CT部分的第5、6、7號通道接通，讓PT部分的第1、2、3通道接通，這時，第4條線路的所有信號全部被連接到前端內部；然后由“數(shù)字信號處理及邏輯控制”模塊發(fā)出采樣和保持觸發(fā)信號，經過信號調理后的交流信號由模數(shù)轉換器變換為數(shù)字信號?！癈PU”讀取所有數(shù)據(jù)后，按照三相三線制線路的要求對數(shù)據(jù)進行計算整理，并得到最終結果。
如果測量的是一條三相三線制線路，則只要使用第5、6號CT通道，并相應地向前端發(fā)送命令“LN4M2CT5PT4”，前端將按照命令的要求接通CT部分的第5、6號通道和PT部分的第4、5號通道進行測量，第7號CT通道可以與后續(xù)通道組合被下一條線路使用。上述第4條線路的模式命令處理流程及實現(xiàn)上述測量過程的程序流程如圖11、12。
基于這種思想，對于不進行高速故障錄波記錄等實時性要求不高的一般計量應用，也可以只設計一組電流A/D模塊和一組電壓A/D模塊完成同樣的測量。
在圖8所示的測量原理的基礎上很容易實現(xiàn)多條線路共享PT，因為“線路模式設置”命令中已包含了該測量線路的PT通道的信息，當多條線路指定的PT通道號相同時，“數(shù)字信號”處理及邏輯控制”電路在依次切換代表不同線路的CT通道組時，將切入同一組PT通道。因此，只要線路的制式相同并源自一個母線，則多條線路只需接入一條線路的PT即可。
前端提供的開關量檢測通道為動態(tài)共享PT提供了觸發(fā)信號，根據(jù)“線路模式設置”命令同樣也可以理解動態(tài)共享PT的實現(xiàn)方法。例如，我們要對用互鎖的兩條母線供電的一條線路進行電度計量，正常時線路由A母線供電，當A母線故障時，系統(tǒng)保護機構自動切換為B母線供電。測量思路應該是A母線供電時，由A母線電壓和該線路的電流完成電度計量，當切換為B母線供電時，應由B母線電壓和該線路的電流繼續(xù)電度的計量，這里就有個切換PT的問題。通過動態(tài)共享PT實現(xiàn)如下假設被測量的線路為三相三線制，線路序號為第3條線路，電流測量使用從第5號CT開始的CT通道(即第5、6號CT通道)，A母線電壓使用第1、2號PT通道，B母線電壓使用第3、4號PT通道，用第1號開入通道檢測母線切換開關狀態(tài)，則線路模式設置命令應為LN3M2CT5PT1，3ON1。即當?shù)?號開入通道狀態(tài)為“0”時，該線路的電度由A母線電壓和該線路的電流計量，當?shù)?號開入通道狀態(tài)變?yōu)椤?”時，則線路的電度自動改由B母線電壓和該線路的電流計量。其程序流程如圖10。
對于上述可實現(xiàn)任意的交流線路測量的方法，本前端采用“命令”的方式，通過設置模式來使獨立的CT或PT輸入通道與具體的線路建立了聯(lián)系，有了這種思想可以有很多方法來實現(xiàn)可任意線制的交流線路測量，例如，也可以在前端上設置跳線開關來指定線路的模式和可使用的CT、PT通道號，也可以實現(xiàn)上述測量。
由于具體的A/D轉換、信號隔離切換，信號調理、通信等功能塊可以是多種多樣的，也是電力及計算機領域普通技術人員所公知的，這里不再贅述。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果①最大限度地節(jié)省用戶投資，用戶不必為自己不同的測量要求選擇多種型號的儀器，也不必因為測量要求或線制的改變而浪費前端提供的測點，本前端所提供的CT通道用戶可完全利用；②本前端給用戶以最大的靈活性，用戶只需考慮接入前端的各種線路所使用的CT、PT總量不超過前端所提供的CT、PT通道總數(shù)，而不必考慮因線制不同會造成測點浪費或增加新的型號。
本發(fā)明前端直接接受來自電壓、電流互感器的信號，因而它可替換目前變電所、配電室等工業(yè)現(xiàn)場的大部分常規(guī)電氣儀表及其變送器或其他信號調理設備，完成幾乎所有的工頻交流量的測量采集工作，同時，由于前端可配置開關量輸出通道，因而也可實現(xiàn)某些現(xiàn)場控制功能。另外，配合其他顯示、測控模塊，可十分方便地組成一個靈活、完善的現(xiàn)場測控系統(tǒng)；配合其他網絡設施(例如局域網、公用電話網等)還可構成一個實時MIS系統(tǒng)。
權利要求
1.一種工頻交流量的測量方法，將被測電流、電壓直接或通過一次電流、電壓互感器接入與被測線路線制相匹配的測量前端CT、PT端子，其特征是測量前端提供的所有CT、PT通道，由用戶按實際要求設置組合，以匹配單相、三相三線、三相四線制的測量。
2.根據(jù)權利要求1所述的工頻交流量的測量方法，其特征是所說的由用戶按實際要求設置組合以匹配任意線制的方式是測量前端接受上位機通過網絡發(fā)來的“線路模式設置”命令，向被測用戶提供與任意線制隨機匹配的CT及PT測量通道。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的工頻交流量的測量方法，其特征是對于同一線制的被測量，多條被測線路的PT值共享，即如果一臺前端所測量的線路屬于一個母線，則只需要接入一組PT，而讓所有其他被測量共享這組PT；如果被測對象采用雙母線供電，則多條被測線路的PT值采取“動態(tài)共享”，即對雙母線供電線路中的CT指定兩組PT，用前端提供的開并量輸入通道監(jiān)視母線切換開關的動作，前端根據(jù)母線切換開關的狀態(tài)，自動選擇兩組PT之一進行電度、功率等電氣參數(shù)測量和計算。
4.根據(jù)權利要求3所述的工頻交流量的測量方法，其特征是上述方法的測量步驟如下①將被測的交流信號依次接入測量前端的若干CT及PT端子，每一組CT和PT通道均設有兩個接線端子，一條單相線路接一組CT和一組PT通道，一條三相線制線路接兩組連續(xù)的CT和PT通道，一條三相四線制線路接三組連續(xù)的CT和PT通道，應注意電壓、電流的同名端，根據(jù)前端上設置的CT和PT端子總數(shù)量，按需任意組合接入用戶實際若干條不同線制的被測線路；②當多條線路制式相同，且源自同一母線，則第二、三……條線路只需要接入CT信號，PT信號與第一條線路共享，如果是雙母線供電，對第一條線路接線時，應為該線路分別接入兩個母線的PT，并將母線切換開關狀態(tài)引入前端開入通道，第二、三……條線路只需要接入CT信號；③按照實際線路的聯(lián)接情況(制式、CT、PT通道號等)對接入前端的每條線路設置其測量模式，前端將按照用戶設定的測量模式中所給出的該線路的制式、CT通道號、PT通道號等信息，通過內部軟、硬件實現(xiàn)與實際線路完全相符的交流量測量。
5.根據(jù)上述測量方法設計的測量前端，包括①前端上設有用于交流電流、電壓測量的接入端子、開關量輸入/輸出端子、網絡通訊端子等；②前端機殼內設有以CPU為核心的采集數(shù)據(jù)計算整理的軟、硬件；③供實時顯示、監(jiān)測的接口端子；④掉電數(shù)據(jù)保護電路；其特征是該前端還包括⑤為了通過“命令”實現(xiàn)靈活的測量，前端內設置了受CPU控制的數(shù)字信號處理及邏輯控制電路和受控于該電路的隔離及信號切換電路及A/D和采樣保持電路，隔離及信號切換電路直接與前端CT、PT輸入端子相連接，控制信號控制該電路接入哪幾路CT、PT通道，被接入的CT、PT通道信號經過信號調理電路送入A/D轉換器，經A/D轉換為數(shù)字信號后由CPU讀取最終的測量結果。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新的思想,通過模式“命令”進行測量線路制式的配置,用戶可以完全根據(jù)其實際線路情況按照順序依次接入CT和PT測點,而不管其制式如何,然后通過“命令”將具體的線路制式及所連接的通道號告訴前端,前端提供的CT、PT通道可由用戶任意配置使用。最大限度地節(jié)省用戶投資,用戶不必為自己不同的測量要求選擇多種型號的儀器,也不必因為測量要求或線制的改變而浪費前端提供的測點,它可替換目前變電所、配電室等工業(yè)現(xiàn)場的大部分常規(guī)電氣儀表及其變送器或其他信號調理設備,完成幾乎所有的工頻交流量的測量采集工作。
文檔編號G01R21/133GK1263268SQ0011212
公開日2000年8月16日 申請日期2000年3月10日 優(yōu)先權日2000年3月10日
發(fā)明者王利明, 仲未央, 黃彬業(yè) 申請人:南京東遠科技有限公司