專利名稱：帶諧波抑制裝置的電能表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電力測量裝置，特別是一種能有效抑制諧波準(zhǔn)確計(jì)量電量的電能表。
在電力系統(tǒng)中，由于諧波源負(fù)荷的猛增和大量非線性負(fù)荷的采用，產(chǎn)生了大量的高次諧波，這種諧波將嚴(yán)重影響電能計(jì)量的精度，使電費(fèi)收取不合理。為了解決上述難題，湖北省電力試驗(yàn)研究所采用分離的阻容器件組成的8階有源濾波器技術(shù)研制了一種工頻基波電子電能表，并于1993年3月19日申請了中國專利，專利號為93206362.4，這種電能表雖能對諧波有一定的抑制作用，但體積大，功耗大，穩(wěn)定性能差。還有一種由四川電力科學(xué)試驗(yàn)研究所采用常規(guī)濾波器件構(gòu)成的單相電能表，即非線性負(fù)荷電能表，于1994年3月22日申請了國家專利，專利號為94227332.X，這種技術(shù)雖然也是對采樣信號處理電路的一種改進(jìn)，但不能對三相不對稱系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析和功率測量，且效果不明顯。
本實(shí)用新型是提供一種帶諧波抑制裝置的電能表，能有效地消除諧波對電量測量的影響，大大提高電量計(jì)量的精度，且結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，體積小，性能穩(wěn)定，成本低。
本實(shí)用新型的目的是通過下述途徑來實(shí)現(xiàn)的這種帶諧波抑制裝置的電能表是建立在當(dāng)前成熟先進(jìn)的全電子式電能表技術(shù)之上，即在現(xiàn)有全電子式電能表的表計(jì)輸入回路與ADC(模數(shù))變換器之間加裝一諧波抑制裝置。這種諧波抑制裝置又包括電源單元，鎖相倍頻單元，電流、電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出單元。這種加裝有帶諧波抑制裝置的電能表能衰減二次以上輸入的諧波分量，從而構(gòu)成一種可計(jì)量非線性負(fù)荷所耗電能的新型全電子式電能表，能有效克服非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的高次諧波對電能計(jì)量的影響，將注入到計(jì)量回路的基波功率進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。
上述諧波抑制裝置的電源單元包括兩個(gè)電源變壓器，通過這兩個(gè)電源變壓器將來自電網(wǎng)互感器二次電壓交流100伏變換為交流16伏，這兩個(gè)電源變壓器的輸出端分別聯(lián)接一全波整流橋的一端，將交流電壓整成直流電壓，全波整流橋的另兩端作為輸出端各連接一個(gè)三端穩(wěn)壓器；在這兩個(gè)三端穩(wěn)壓器中，其中一個(gè)穩(wěn)壓輸出+12伏，另一個(gè)穩(wěn)壓輸出-12伏，這兩個(gè)三端穩(wěn)壓器的輸出端分別與電流、電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出單元中的運(yùn)算放大器的電源兩端相連，給運(yùn)算放大器提供工作電源。上述兩個(gè)三端穩(wěn)壓器的輸出端同時(shí)還分別各與另一三端穩(wěn)壓器的輸入端相連，再經(jīng)所連的兩三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出±5V，其中一個(gè)三端穩(wěn)壓器輸出+5V，另一個(gè)三端穩(wěn)壓器輸出-5V，這兩個(gè)三端穩(wěn)壓器的輸出端分別與電流、電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出單元中的8階巴特沃斯低通濾波器的電源兩端相連，給它們提供工作電源。上述輸出+5V的三端穩(wěn)壓器的輸出端同時(shí)還分別與鎖相倍頻單元的鎖相環(huán)和分頻器的電源輸入端相連，供其作工作電源用。
上述諧波抑制裝置的鎖相倍頻單元，包括一個(gè)接電網(wǎng)互感器二次電壓交流100V的插接頭，此插接頭依次串接一電阻和二極管，用來從電源變壓器采取電網(wǎng)頻率信號，再由二極管依次串聯(lián)一電阻和光電耗合器及鎖相環(huán)，另與電阻并聯(lián)有一穩(wěn)壓二極管用來限幅，鎖相環(huán)進(jìn)行電網(wǎng)基波頻率跟蹤，鎖相環(huán)的輸出端連接一個(gè)分頻器，由鎖相環(huán)與分頻器共同組成鎖相倍頻電路，提供給8階巴特沃斯低通濾波器的工作時(shí)鐘信號，即分頻器的時(shí)鐘輸出端分別與各個(gè)8階巴特沃斯低通濾波器的工作時(shí)鐘輸入端相連。
上述諧波抑制裝置的電流、電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出單元包括三個(gè)電流采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)，三個(gè)電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)。每相電流、電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)均采用結(jié)構(gòu)和組成及工作原理相同或相似，但組成的元器件參數(shù)可以不同，由它組成6路結(jié)構(gòu)相同或相似的電流電壓采樣和信號濾波及信號放大輸出電路。以其中的任何一路為例，每一路都首先通過一電位器對電壓或電流進(jìn)行采樣，此電位器的中間觸頭又與一個(gè)8階巴特沃斯低通濾波器的信號輸入端相連，通過它濾除二次以上的高次諧波，使信號成為接近純凈的基波，8階巴特沃斯低通濾波器的工作電源接線端與電源單元相連，由電源單元提供其工作電源，8階巴特沃斯低通濾波器的輸出端通過電阻接到一運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器的電源端與電源單元相連，電壓或電流信號經(jīng)運(yùn)算放大器作信號調(diào)整后，輸出給微處理器的信號輸入端，由微處理器進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)數(shù)值就是用戶實(shí)際消耗的電量。
本實(shí)用新型相比背景技術(shù)具有如下特點(diǎn)1、由于采用高集成化電容開關(guān)型濾波器，即8階巴特沃斯低通濾波器，以及對電網(wǎng)鎖相信頻來對電壓電流進(jìn)行自動跟蹤濾波，因而使本電能表具有對電量測量精度高的特點(diǎn)。
2、裝置的組成元件均采用低功耗的CMOS器件，關(guān)鍵元件如運(yùn)算放大器使用性能價(jià)格比高的產(chǎn)品，電源單元?jiǎng)t采用的是電子式電能表中的變壓器，因而具有功耗小，體積小，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
3、由于是在現(xiàn)行的全電子電能表上加裝諧波抑制裝置便可構(gòu)成高準(zhǔn)確度的諧波源負(fù)荷電子式電能表，因而具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，安裝方便等特點(diǎn)。


圖1是本實(shí)用新型帶諧波抑制裝置的電能表的原理框圖。
圖2是本實(shí)用新型諧波抑制裝置的電源單元電路原理圖。
圖3是本實(shí)用新型諧波抑制裝置的鎖相倍頻單元電路原理圖。
圖4是本實(shí)用新型的諧波抑制裝置的電流信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)的電路原理圖。
圖5是本實(shí)用新型的諧波抑制裝置的電壓信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)的電路原理圖。
圖6是本實(shí)用新型的諧波抑制裝置的電路原理圖。
現(xiàn)根據(jù)附圖和實(shí)施方式對本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)與工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1所示，帶諧波抑制裝置的電能表在表殼上的表頭分別接三相電流、電壓，三相電流、電壓輸入后，通過表內(nèi)的與之相連的各相電流互感器CT和電壓互感器PT后分別變成弱電流與弱電壓，然后輸入到與之相接的諧波抑制裝置M的信號采樣機(jī)構(gòu)，經(jīng)諧波抑制裝置M濾除其中的高次諧波后，將近乎純凈諧波電流電壓輸入到與之相連接的原全電子式電能表的模數(shù)變換器W，通過模數(shù)變換器W將電流、電壓的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再將數(shù)字信號輸入到與之相連的微處理器Q，進(jìn)行運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理得基波電量數(shù)值。
對于原電子電能表由用戶負(fù)荷產(chǎn)生的高次諧波反送電網(wǎng)，將抵消電網(wǎng)輸送的基波電能，由此從電能表上的讀數(shù)低于用戶實(shí)際消耗的基波電能，造成計(jì)量誤差。通過在原全電子式電能表上加裝諧波抑制裝置后很好地解決了上述問題，使電能表上的讀數(shù)更加接近用戶實(shí)際消耗的基波電能。
如圖2所示，本實(shí)用新型的諧波抑制裝置的電源單元包括與電網(wǎng)互感器二次電壓交流100伏電源相聯(lián)的兩個(gè)電源變壓器T1和T2，在電源變壓器T1、T2的低壓側(cè)得到16V的交流電壓，電源變壓器T1、T2低壓側(cè)分別連接整流電橋B1的輸入端。整流電橋B1輸出正電壓的一端通過電解電容E1接地，同時(shí)還連接三端穩(wěn)壓器U9的輸入端；整流電橋B1輸出負(fù)電壓的一端通過電解電容E2接地，同時(shí)還連接三端穩(wěn)壓器U11的輸入端；三端穩(wěn)壓器U9的輸出端輸出+12V電壓并通過電解電容E3接地，同時(shí)還通過電阻R27與三端穩(wěn)壓器U7的輸入端相連，電容C17連接在三端穩(wěn)壓管U7的輸入端同電阻R27連接點(diǎn)與地之間，三端穩(wěn)壓器U7輸出端輸出+5伏電壓并同時(shí)通過電容C3接地。三端穩(wěn)壓器U11的輸出端輸出-12V電壓并通過電解電容E4接地，同時(shí)還通過電阻R28與三端穩(wěn)壓器U8的輸入端相連，電容C18連接在三端穩(wěn)壓器U8的輸入端同電阻R28連接點(diǎn)與地之間，三端穩(wěn)壓器U8輸出端輸出-5V電壓并同時(shí)通過電容C4接地。三端穩(wěn)壓器U9、U11、U7、U8的第三端GND均接地。這樣通過從電源單元±12V電壓和±5V電壓的接線端引接提供給諧波抑制裝置中需要不同電壓的單元或機(jī)構(gòu)作工作電源。
如圖3所示，諧波抑制裝置的鎖相倍頻單元有兩個(gè)接交流電源的接頭，其中一接頭串接電阻R14后分支為二，其中一支路依次串聯(lián)二極管D1、電阻R26后接光電耦合器U13的輸入端，穩(wěn)壓管Z1與電阻R26并聯(lián)起限幅作用；其中另一支路串接壓敏電阻YM后接光電耦合器U13的輸入端，光電耦合器U13的輸出端接到鎖相環(huán)U1的AIN端，這兩端接點(diǎn)處串接電阻R25后接到電源單元的+5V輸出端，并通過電容C19接地。光電耦合器U13的E端和鎖相環(huán)U1的GND端、INH端以及組成分頻器U2的分頻機(jī)構(gòu)U2:A的GND端、R端，分頻機(jī)構(gòu)U2:B的CLK端和R端均接地。鎖相環(huán)U1的BIN端與分頻機(jī)構(gòu)U2:B的Q3端U2P14相連，其工作電源UCC端接電源單元的+5V輸出端，鎖相環(huán)U1的CA端串接電容C5后接另一陣端CB端，鎖相環(huán)U1的PC2端串接電阻R2后與其UCIN端后再依次串接電阻R3和電容C6后接地。鎖相環(huán)U1的輸出端UCOUT端接分頻器U2中的分頻機(jī)構(gòu)U2:A的CLK端，分頻機(jī)構(gòu)U2:A的EN端接電源單元+5V輸出端，并通過電容C7接地。分頻機(jī)構(gòu)U2:A的輸出接Q3與分頻機(jī)構(gòu)U2:B的EN端相連。上述鎖相倍頻單元由電阻R14，二極管D1從電源變壓器采取電網(wǎng)頻率信號，經(jīng)穩(wěn)壓管Z1限幅，再經(jīng)光電耦合器U13送鎖相環(huán)U1進(jìn)行電網(wǎng)基波頻率跟蹤，同時(shí)鎖相環(huán)U1與分頻器U2組成倍頻電路，提供濾波電路的工作時(shí)鐘信號。
如圖5所示，本實(shí)用新型的諧波抑制裝置的電壓信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)包括一個(gè)與輸入電壓相聯(lián)的可調(diào)電位器P6，其滑動觸頭與開關(guān)電容濾波器U6的輸入端IN相連，起信號采樣作用，電容濾波器U6的時(shí)鐘輸入端接來自倍頻鎖相單元的時(shí)鐘信號，OPO端跨接在電容C22和電阻R11之間，OPI端跨接在電阻R19與電容C22之間，V+端接電源單元的+5V輸出端，V-端接電源單元-5V輸出端，GND端接地，電容濾波器U6的輸出端OUT依次串接電解電容E5、電阻R17、電容C1后接地，在電阻R17、電容C1的連接處與電容C22、電阻R11的連接處跨接電阻R18，在電阻R17、電容C1的連接處通過電阻R19后接電容濾波器U6的OPI端U6-4。電阻R11一端與運(yùn)算放大器U5:A一端相連。運(yùn)算放大器U5:A的另一端通過電阻R16接地，運(yùn)算放大器U5:A的工作電源正端接電源單元+12V電壓輸出端，負(fù)端接電源單元-12V電壓輸出端，運(yùn)算放大器U5:A的輸出端UAO端串接可調(diào)變阻器P7后與電阻R16相接，并與模數(shù)變換器W相連。
在本實(shí)用新型的諧波抑制裝置中還有兩路結(jié)構(gòu)和組成完全與上述電壓信號同采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)相同的機(jī)構(gòu)，在此不再贅述。
如圖4所示，本實(shí)用新型的諧波抑制裝置還有三路結(jié)構(gòu)和組成相同樣的電流信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)，它與前述的電壓信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和組成基本相同，不同之處是在電阻R12與電容C25的連接處通過一可調(diào)變阻器P14接地。
在本實(shí)用新型的諧波抑制裝置中的6路結(jié)構(gòu)和組成相同或相似的電流、電壓信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)，以圖5中的那一路為例，輸入的電壓信號UAt經(jīng)可調(diào)變阻器取樣后，經(jīng)8階巴特沃斯低通濾波器U6濾除二次以上的高次諧波，使信號成為接近純凈的基波，再送至運(yùn)算放大器U5:A作信號調(diào)整后，輸出給本實(shí)用新型的電能表微處理器進(jìn)行運(yùn)算。
如圖6所示，本實(shí)用新型的諧波抑制裝置由電源單元電路，鎖相倍頻單元電路，電流與電壓信號采樣、信號濾波，信號放大輸出單元電路以及電流、電壓輸入輸出插接頭P10-6PIN2與P12-6PIN2等組成，其中電源單元產(chǎn)生并輸出±12V和±5V的電壓，并分別提供給電流電壓信號采樣、信號濾波、信號放大輸出單元電路及鎖相倍頻單元電路等其他需要大小不同電壓的單元或機(jī)構(gòu)作工作電源。鎖相倍頻單元電路產(chǎn)生工作時(shí)鐘信號，并分別提供給電流、電壓信號采樣、信號濾波、信號放大輸出單元電路中的各濾波器做工作時(shí)鐘信號。由6路結(jié)構(gòu)和組成相同或相似的電流、電壓信號采樣、信號濾波、信號放大輸出機(jī)構(gòu)所組成的電流、電壓信號采樣、信號濾波、信號放大輸出單元在具備工作電源和工作時(shí)鐘信號的條件下，信號分別經(jīng)六個(gè)8階巴特沃斯低通濾波器U6、U16、U10、U3、U14、U4濾除二次以上的高次諧波，使信號成為接近純凈的基波，再分別送六個(gè)對應(yīng)的運(yùn)算放大器U5:A、U15:A、U12:A、U5:B、U15:B、U12:B作信號調(diào)整后，輸出給電能表微處理器進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到消除高次諧波對電能計(jì)量產(chǎn)生誤差的目的。
上述的8階巴特沃特低通濾波器U6、U16、U10、U9、U14、U4可采用MAX291型或其它集成8階巴特沃斯低通濾波器。
上述的運(yùn)算放大器U5:A、U5:B、U15:A、U15:B、U12:A、U12:B可采用MAX498型或其它運(yùn)放集成電路。
上述的鎖相環(huán)U1為4046型集成電路。
上述的三端穩(wěn)壓器U7、U6、U9、U11采用78.79系列三端穩(wěn)壓器。
權(quán)利要求1.帶諧波抑制裝置的電能表包括接三相電流、電壓的表頭，在表內(nèi)與表頭相連的各相電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)，模數(shù)變換器(W)及與模數(shù)變換器(W)相連的微處理器(Q)，其特征在于在表計(jì)輸入回路即電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)之后，模數(shù)變換器(W)之前連接加裝一由電源單元、鎖相倍頻單元，電流與電壓采樣、信號濾波、信號放大輸出單元等組成的諧波抑制裝置(M)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于電壓信號采樣和信號濾波及信號輸出機(jī)構(gòu)包括一個(gè)與輸入電壓相聯(lián)的可調(diào)電位器(P6)，其滑動觸頭與電容濾波器(U6)的輸入端(IN)相連，電容濾波器(U6)的時(shí)鐘輸入端接來自倍頻鎖相單元的時(shí)鐘信號，(OPO)端跨接在電容(C22)和電阻(R11)之間，(OPI)端跨接在電阻(R19)與電容(C22)之間，(V+)端接電源單元的+5V輸出端，(V-)端接電源單元-5V輸出端，(GND)端接地，電容濾波器(U6)的輸出端(OUT)依次串接電解電容(E5)、電阻(R17)、電容(C1)后接地，在電阻(R17)、電容(C1)的連接處與電容(C22)、電阻(R11)的連接處跨接電阻(R18)，在電阻(R17)、電容(C1)的連接處通過電阻(R19)后接電容濾波器(U6)的(OPI)端，電阻(R11)的一端與運(yùn)算放大器(U5:A)一端相連，運(yùn)算放大器(U5:A)的另一端通過電阻(R16)接地，運(yùn)算放大器(U5:A)的工作電源正端接電源單元+12V電壓輸出端，負(fù)端接電源單元-12V電壓輸出端，運(yùn)算放大器(U5:A)的輸出端串接可調(diào)變阻器(P7)后與電阻R18相連，運(yùn)算放大器(U5:A)的輸出端還與模數(shù)變換器(W)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于諧波抑制裝置中的鎖相倍頻單元包括兩個(gè)接交流電源的接頭，其中一接頭串接電阻(R14)后分支為二，其中一支路依次串聯(lián)二極管(D1)電阻(R26)后接光電耦合器(U13)的輸入端，穩(wěn)壓管(Z1)與電阻(R26)并聯(lián)起限幅作用；其中另一支路串接壓敏電阻(YM)后接光電耦合器(U13)的輸入端，光電耦合器(U13)的輸出端接到鎖相環(huán)(U1)的(AIN)端，在這兩端接點(diǎn)處串接電阻(R25)后接電源單元的+5V輸出端，并通過電容(C19)接地。光電耦合器(U13)的(E)端和鎖相環(huán)(U1)的(GND)端、(INH)端以及組成分頻器(U2:A)的分頻機(jī)構(gòu)(U2:A)的(GND)端、(R)端，分頻機(jī)構(gòu)(U2:B)的(CLK)端和(R)端均接地。鎖相環(huán)(U1)的(BIN)端與分頻機(jī)構(gòu)(U2:B)的(Q3)端(U2P14)相連，其工作電源(UCC)端接電源單元的+5V輸出端，鎖相環(huán)(U1)的(CA)端串接電容(C5)后接另一端(CB)端，鎖相環(huán)(U1)的(Pc2)端串接電阻(R2)后與其(UCIN)端相連后再依次串接電阻(R3)和電容(C6)后接地，鎖相環(huán)(U1)的輸出端(UCOUT)端接分頻器(U2)中的分頻機(jī)構(gòu)(U2:A)的(CLK)端，分頻機(jī)構(gòu)(U2:A)的(EN)端接電源單元+5V輸出端，并通過電容G接地。分頻機(jī)構(gòu)(U2:A)的輸出端(Q3)與分頻機(jī)構(gòu)(U2:B)的(EN)端相連，鎖相環(huán)(U1)的輸出端(UCOUT)端與分頻機(jī)構(gòu)(U2:A)的時(shí)鐘信號端(CLK)端的連接點(diǎn)處接各電流、電壓信號采樣、信號濾波及信號放大輸出單元中的8階巴特沃斯低通濾波器(U3、U14、U4、U8、U16、U10)的時(shí)鐘信號輸入端(CLK)端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于諧波抑制裝置中含有三路結(jié)構(gòu)和組成完全相同的電壓信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于諧波抑制裝置中含有三路結(jié)構(gòu)和組成完全相同的電流信號采樣和信號濾波及信號放大輸出機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于諧波抑制裝置中的每路電流信號采樣、信號濾波、信號放大輸出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與組成與每路電壓信號采樣、信號濾波、信號放大輸出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與組成可以相同或相似。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于8階巴特沃斯低通濾波器(U6、U16、U10、U3、U14、U4)可采用MA×291型或其它集成8階巴特沃斯低通濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于運(yùn)算放大器(U5:A、U5:B、U15:A、U15:B、U12:A、U12:B)可采用MA×498型或其它運(yùn)算放大集成電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶諧波抑制裝置的電能表，其特征在于三端穩(wěn)壓器(U7、U8、U9、U11)可采用78、79系列三端穩(wěn)壓器。
專利摘要一種帶諧波抑制裝置的電能表包括表頭,與表頭相連的各相電流,電壓互感器,模數(shù)變換器,與模數(shù)變換器相連的微處理器,其特征在于在表計(jì)輸入回路之后,模數(shù)變換器之前加裝有由電源單元、鎖相倍頻單元,電流與電壓采樣、信號濾波、信號放大輸出單元等組成的諧波抑制裝置。能有效抑制非線性負(fù)荷對電能計(jì)量的影響,具有電能計(jì)量精度高、功耗小、體積小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝方便等特點(diǎn),是一種能對非線性負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確合理計(jì)量的全電子電能表。
文檔編號G01R11/00GK2326962SQ9823051
公開日1999年6月30日 申請日期1998年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月8日
發(fā)明者鄭玉成, 羅志坤, 徐植堅(jiān) 申請人:湖南省婁底電業(yè)局