CN113702897A - 一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，包括：三相钳形电流传感器、三相钳形电压传感器、信号滤波放大电路、A/D转换器、标准表基准电压和基准电流输入接口、整形电路、标准晶振、FPGA倍频数据采集单元、分频锁相环、CPU数据处理单元、LED显示输出电路和供电单元；本发明通过在A/D转换器和FPGA倍频数据采集单元之间加设分频锁相环，利用锁相环使它与同步采集脉冲的输入信号保持频率相位一致，实现频率跟踪的自适应性和抗干扰性，在保证被测运行电能表的电压、电流与标准表电压、电流两个信号相位差恒定情况下，频率一定相等，利用分频反馈回路，对输出进行反馈调整，保持输出的数字信号不失真，提高抗谐波抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于电能表校验仪的技术领域，具体涉及一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪。
背景技术
实际运行中的电能表，因运行环境、时间和电能表版本等问题，出现不同程度、不同类型的缺陷或故障，例如电能表内部故障、电能表超差、电压回路失压或电流回路失流或者外部故障等问题，都会对智能电表的计量准确度造成一定的影响，从而对现有电量统计与核算造成一定的损失。按照我国现有的资产全寿命管理周期的要求，目前正在实行的电能表校验和运行抽检规章制度，主要包括有实验室筹建和现场电能表运行抽检。现有实验室抽检通过模拟电能表在征程工作环境下的电压、电流、频率，通过将电气量信息分别输入标准电能表和被校验的电能表中，得出电能表本身的误差特型，这种相当于离线式的校验，不能完全满足电能表校验现场真实工作环境，因此还需要通过现场在线校验来反映电能表的真实误差特性。在线校验就是计量装置运维人员携带便捷式电能表校验仪去现场进行不停电校验。
运行的电能表的实际运行环境、条件不一定相同，受到外部因素影响的程度不一，在现场存在大量谐波、间谐波、尖峰脉冲、衰减直流和非线性负载接入电网等多种复杂情况下是否仍能保证电能表的计量准确性，通过在线校验方式，得出的实验数据贴合实际，可以真实地反应电能表的误差特性，从而为电能表计量性能的准确判断提供重要支撑。但由于现场在线校验存在温湿度、频率、谐波的干扰和极易受到天气等自然条件的干扰。
虽然便携式校验仪有一定的修正系数，但是该修正系数均是通过实验室在正常工频下进行模拟得出的数据，不能完全满足现场工作需要。且运行抽检表是每月供电所日常工作必须，因此研究抗谐波干扰校验仪具有重要实际意义。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种能够提高抗抑制谐波干扰的三相电能表现场校验仪。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，包括：三相钳形电流传感器、三相钳形电压传感器、信号滤波放大电路、A/D转换器、标准表基准电压和基准电流输入接口、整形电路、标准晶振、FPGA倍频数据采集单元、分频锁相环、CPU数据处理单元、LED显示输出电路和供电单元；
所述三相钳形电流传感器的输入端、三相钳形电压传感器的输入端分别与电表电流端和电压端相连，所述三相钳形电流传感器的输出端、三相钳形电压传感器的输出端均分别与信号滤波放大电路的输入端、整形电路的输入端相连，所述信号滤波放大电路的输出端、标准表基准电压和基准电流输入接口分别与A/D转换器的输入端相连，所述整形电路的输出端、标准晶振分别与FPGA倍频数据采集单元的输入端相连，FPGA倍频数据采集单元的输出端通过CPU数据处理单元与LED显示输出电路相连，所述FPGA倍频数据采集单元与分频锁相环双向连接，所述分频锁相环与A/D转换器双向连接，所述供电单元为CPU数据处理单元及外围电路进行供电。
进一步地，所述分频锁相环包括双二阶广义积分器锁频环、延时信号消除滤波器和滑动平均滤波器，所述双二阶广义积分器锁频环的输入端与FPGA倍频数据采集单元双向连接，双二阶广义积分器锁频环的输出端依次通过延时信号消除滤波器、滑动平均滤波器与A/D转换器的输入端相连。
进一步地，所述供电单元包括电流源单元、LD光源、信号处理单元、波形发生器、光电池、DC-DC转换器、温控保护及外界温度探测电路、驱动及保护电路和后备电源单元，外部电源依次经过电流源单元、LD光源、信号处理单元、波形发生器、光电池和DC-DC转换器为外围电路进行供电，所述CPU数据处理单元与温控保护及外界温度探测电路双向连接，所述CPU数据处理单元通过驱动及保护电路与LD光源相连，所述CPU数据处理单元通过后备电源单元为外围电路进行供电。
进一步地，所述分频锁相环还包括鉴相器和反馈回路，所述鉴相器依次通过双二阶广义积分器锁频环、延时信号消除滤波器、滑动平均滤波器与反馈回路相连。
进一步地，所述反馈回路包括频率反馈回路和相位反馈回路。
进一步地，还包括内置存储单元，所述内置存储单元与CPU数据处理单元的输出端相连。
优选地，所述整形电路包括型号为LMC662CN的电压放大器和施密特触发器，所述电压放大器和施密特触发器电连接。
优选地，还包括采样电阻，所述三相钳形电流传感器通过采样电阻分别与信号滤波放大电路的输入端、整形电路的输入端相连。
优选地，还包括键盘，所述键盘与CPU数据处理单元的输入端相连。
优选地，所述信号处理单元包括对电信号进行放大、滤波处理。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，三相钳形电流传感器、三相钳形电压传感器直接接于电表电流端和电压端，用于采集被测电表的电压、电流信号，CPU数据处理单元对采集的数据进行处理，并将数据传输给LED显示输出电路进行显示；整形电路将采集信号整形为同频率脉冲，通过安装在校验仪小键盘内的测试时钟误差的标准晶振提供的采样的时间基准，在一个采样周期内，通过FPGA倍频数据采集单元处理后控制A/D转换器进行模数转换，在A/D转换器和FPGA倍频数据采集单元之间插入分频锁相环，通过分频锁相环来提取同脉冲信号，达到抑制谐波干扰的目的，同时通过乘法反馈机制，计算基准脉冲与采集后的脉冲之间的相位差，能够得到较好的滤除效果。
2、本发明通过在A/D转换器和FPGA倍频数据采集单元之间加设分频锁相环，利用锁相环使它与同步采集脉冲的输入信号保持频率相位一致，实现频率跟踪的自适应性和抗干扰性，在保证被测运行电能表的电压、电流与标准表电压、电流两个信号相位差恒定情况下，频率一定相等，利用分频反馈回路，对输出进行反馈调整，保持输出的数字信号不失真，提高抗谐波抗干扰能力。
3、本发明的供电单元由激光供能和后备电池两部分组成，由电流源单元1201输出电流，经过信号处理单元处理后输出一持续稳定的LD工作电流，由其转换为电流输送给DC-DC转换器，经DC-DC转换器变换后给外围电路进行供电；CPU数据处理单元通过温控保护及外界温度探测电路对LD光源和外界环境的温度进行采集，并反馈给CPU数据处理单元，CPU数据处理单元检测到温度信号不在LD光源的高效率工作范围时，给驱动及保护电路一个脉冲信号，使其停止对LD光源输出，并连通后备电源单元给高压侧外围电路进行供电；本发明通过在供电部分加设激光供能，可以进一步提高校验仪使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；
图1为本发明一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪的结构示意图；
图2为本发明一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪中分频锁相环的结构示意图；
图3为本发明一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪中供电单元的结构示意图；
图中：1为三相钳形电流传感器，2为三相钳形电压传感器，3为信号滤波放大电路，4为A/D转换器，5为标准表基准电压和基准电流输入接口，6为整形电路，7为标准晶振，8为FPGA倍频数据采集单元，9为分频锁相环，91为双二阶广义积分器锁频环，92为延时信号消除滤波器，93为滑动平均滤波器，94为鉴相器，95为反馈回路，10为CPU数据处理单元，11为LED显示输出电路，12为供电单元，1201为电流源单元，1202为LD光源，1203为信号处理单元，1204为波形发生器，1205为光电池，1206为DC-DC转换器，1207为温控保护及外界温度探测电路，1208为驱动及保护电路，1209为后备电源单元，13为内置存储单元，14为键盘。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，包括：三相钳形电流传感器1、三相钳形电压传感器2、信号滤波放大电路3、A/D转换器4、标准表基准电压和基准电流输入接口5、整形电路6、标准晶振7、FPGA倍频数据采集单元8、分频锁相环9、CPU数据处理单元10、LED显示输出电路11和供电单元12；所述整形电路包括型号为LMC662CN的电压放大器和施密特触发器，所述电压放大器和施密特触发器电连接。
所述三相钳形电流传感器1的输入端、三相钳形电压传感器2的输入端分别与电表电流端和电压端相连，所述三相钳形电流传感器1的输出端、三相钳形电压传感器2的输出端均分别与信号滤波放大电路3的输入端、整形电路6的输入端相连，所述信号滤波放大电路3的输出端、标准表基准电压和基准电流输入接口5分别与A/D转换器4的输入端相连，所述整形电路6的输出端、标准晶振7分别与FPGA倍频数据采集单元8的输入端相连，FPGA倍频数据采集单元8的输出端通过CPU数据处理单元10与LED显示输出电路11相连，所述FPGA倍频数据采集单元8与分频锁相环9双向连接，所述分频锁相环9与A/D转换器4双向连接，所述供电单元12为CPU数据处理单元10及外围电路进行供电。
进一步地，所述校验仪还包括内置存储单元13和键盘14，所述内置存储单元13与CPU数据处理单元10的输出端相连，所述键盘14与CPU数据处理单元10的输入端相连。
进一步地，所述三相钳形电流传感器通过采样电阻分别与信号滤波放大电路的输入端、整形电路的输入端相连。
具体地，三相钳形电流传感器1、三相钳形电压传感器2直接接于电表电流端和电压端，用于采集被测电表的电压、电流信号，CPU数据处理单元10对采集的数据进行处理，并将数据传输给LED显示输出电路11进行显示；整形电路6将采集信号整形为同频率脉冲，通过安装在校验仪小键盘内的测试时钟误差的标准晶振7提供的采样的时间基准，在一个采样周期内，通过FPGA倍频数据采集单元8处理后控制A/D转换器4进行模数转换，在A/D转换器4和FPGA倍频数据采集单元8之间插入分频锁相环9，通过分频锁相环9来提取同脉冲信号，达到抑制谐波干扰的目的，同时通过乘法反馈机制，计算基准脉冲与采集后的脉冲之间的相位差，能够得到较好的滤除效果。
如图2所示，所述分频锁相环9包括双二阶广义积分器锁频环91、延时信号消除滤波器92和滑动平均滤波器93，所述双二阶广义积分器锁频环91的输入端与FPGA倍频数据采集单元8双向连接，双二阶广义积分器锁频环91的输出端依次通过延时信号消除滤波器92、滑动平均滤波器93与A/D转换器4的输入端相连。
所述分频锁相环9还包括鉴相器94和反馈回路95，所述鉴相器94依次通过双二阶广义积分器锁频环91、延时信号消除滤波器92、滑动平均滤波器93与反馈回路95相连，所述反馈回路95包括频率反馈回路和相位反馈回路。
本实施例中，双二阶广义积分器分频锁相环9是一种自适应的滤波器，其功能主要包括数据预处理坐标变换、坐标变换后的电压信号经过双二阶广义积分器计算，消除了一部分谐波分量，而滑动平均滤波器92在电网不平衡时分离电网电压正、负序分量，同时实现频率跟踪；延时信号消除滤波器93根据正弦信号周期点对称的原理，能够实现对特定频次的谐波进行滤波。此时即存在反馈回路95，包含有频率反馈和相位反馈的两个反馈回路，因此，即使是在系统存在短时或者大量的高频谐波干扰的情况下，经过反馈环节的调节锁相环能够准确跟踪电网电压频率和相位信号。其中二阶广义积分器是一种基于输入正弦信号90°相角偏移的解决方案。输入电压信号通过积分计算后可以产生两相正交信号，一路输出信号跟踪输入信号，另一路信号实现对输入信号的90°相角偏移。
本实施例中的分频锁相环9采用双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-PLL)锁住与脉冲信号相同频率的电压信号，是一种典型的频率跟踪锁相环结构。主要包含由双二阶广义积分器锁频环91、延时信号消除滤波器92和滑动平均滤波器93的软件锁相环结构，三相钳形电流传感器1、三相钳形电压传感器2将被测电表侧的电压、电流等信号转换为适合釆集单元采集的小电压、小电流信号，并将采集到小电压、小电流信号进行信号调理、滤波、A/D转换等处理，利用FPGA倍频数据采集单元8实时存储A/D转换器4的转换结果，经过反馈回路95，再由数字通道和模拟通道输出精确地数字量和模拟量，最后传送给CPU数据处理单元10进行统一计算，得到电压、电流、功率等数字量，CPU数据处理单元10将所计算出的数据按一定的格式进行排列组合，发送给内置存储单元13进行汇总分类和LED显示输出电路11进行显示。
本实施例通过分频锁相环9，保证同步相同频率输出，分出被测信号频率进行锁定，滤除其他谐波干扰，可以在短时间内迅速锁定被测信号，并能实储存与反馈，实现一个采样周期内对多个点进行同步间隔采样；反馈机制使信号误差进一步降低。
如图3所示，所述供电单元12包括电流源单元1201、LD光源1202、信号处理单元1203、波形发生器1204、光电池1205、DC-DC转换器1206、温控保护及外界温度探测电路1207、驱动及保护电路1208和后备电源单元1209，外部电源依次经过电流源单元1201、LD光源1202、信号处理单元1203、波形发生器1204、光电池1205和DC-DC转换器1206为外围电路进行供电，所述CPU数据处理单元10与温控保护及外界温度探测电路1207双向连接，所述CPU数据处理单元10通过驱动及保护电路1208与LD光源1202相连，所述CPU数据处理单元10通过后备电源单元1209为外围电路进行供电；所述信号处理单元1203包括对电信号进行放大、滤波处理。
具体地，供电单元12由激光供能和后备电池两部分组成，由电流源单元1201输出电流，经过信号处理单元1203处理后输出一持续稳定的LD工作电流，由其转换为电流输送给DC-DC转换器1206，经DC-DC转换器1206变换后给外围电路进行供电，外围电路如图3中的数据采集、处理显示单元；CPU数据处理单元10通过温控保护及外界温度探测电路1207对LD光源1202和外界环境的温度进行采集，并反馈给CPU数据处理单元10，CPU数据处理单元10检测到温度信号不在LD光源1202的高效率工作范围时，给驱动及保护电路1208一个脉冲信号，使其停止对LD光源1202输出，并连通后备电源单元1209给高压侧外围电路进行供电，如三相钳形电流传感器1、三相钳形电压传感器2对被测电表侧的电压信号、电流信号的采集，当激光器电路发生故障时，其工作原理也如上述一样；本实施例通过在供电部分加设激光供能，可以进一步提高校验仪使用寿命。
本发明一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，当三相钳形电流传感器1、三相钳形电压传感器2采集到现场运行的被测电能表的电压信号和电流信号，由传感器将这些采样值分别输送至信号滤波放大电路3和整形电路6，此时三相钳形电流传感器1经过电流互感器将三相电流Ia、Ib、Ic转换为小电流信号，再经过一个0.4kΩ的采样电阻转换为小电流信号；三相钳形电压传感器2经电压互感器将电压转换为小电压信号，将经信号滤波放大电路3进行信号调理滤波后，直接输A/D转换器4。
A/D转换器4有三个接口，第一个接口连接采集信号，将转换过得电压输入A/D转换器4进行模数转换，得到CPU数据处理单元10所需要的数字信号；第二个接口为标准表基准电压和基准电流输入接口5；第三个接口为分频锁相环9的反馈接口。此时，采集进入整形电路6进行数据整形，整形电路6由型号为LMC662CN的电压放大器对输出的待处理信号进行整形，采用施密特触发器将所采样的原始波形整形为与校验仪同脉冲的信号，采用相FPGA倍频数据采集单元8进行数据采集。在A/D转换器4和FPGA倍频数据采集单元8之间插入分频锁相环9，FPGA倍频数据采集单元8将经过倍频处理后的数据，输入分频锁相环9，分频锁相环9通过采用双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-FLL)锁住与脉冲信号相同频率的电压信号，加入利用乘法鉴相器94，将计算输入信号与输出信号进行相乘，得出的乘积，经过滤波器和鉴相器输出后，得出输入输出信号的相位差，通过反馈回路95，就接收到的数字信号进行反馈式对比和分析，经过反馈使输出信号锁定输入信号，实现锁相功能，将经过锁相环控制的脉冲信号输入A/D转换器4，A/D转换器4根据分频锁相环9输出的脉冲信号，将采样信号和标准表信号同步放大，最后将放大后的采样信号和标准表信号同步输入到CPU数据处理单元10中进行计算，达到抗谐波干扰的目的，最后将所得出的计算结果分别输入到内置存储单元13和LED显示输出电路11。
本发明通过在A/D转换器和FPGA倍频数据采集单元之间加设分频锁相环，利用锁相环使它与同步采集脉冲的输入信号保持频率相位一致，实现频率跟踪的自适应性和抗干扰性，在保证被测运行电能表的电压、电流与标准表电压、电流两个信号相位差恒定情况下，频率一定相等，利用分频反馈回路，对输出进行反馈调整，保持输出的数字信号不失真，提高抗谐波抗干扰能力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：包括：三相钳形电流传感器、三相钳形电压传感器、信号滤波放大电路、A/D转换器、标准表基准电压和基准电流输入接口、整形电路、标准晶振、FPGA倍频数据采集单元、分频锁相环、CPU数据处理单元、LED显示输出电路和供电单元；
所述三相钳形电流传感器的输入端、三相钳形电压传感器的输入端分别与电表电流端和电压端相连，所述三相钳形电流传感器的输出端、三相钳形电压传感器的输出端均分别与信号滤波放大电路的输入端、整形电路的输入端相连，所述信号滤波放大电路的输出端、标准表基准电压和基准电流输入接口分别与A/D转换器的输入端相连，所述整形电路的输出端、标准晶振分别与FPGA倍频数据采集单元的输入端相连，FPGA倍频数据采集单元的输出端通过CPU数据处理单元与LED显示输出电路相连，所述FPGA倍频数据采集单元与分频锁相环双向连接，所述分频锁相环与A/D转换器双向连接，所述供电单元为CPU数据处理单元及外围电路进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：所述分频锁相环包括双二阶广义积分器锁频环、延时信号消除滤波器和滑动平均滤波器，所述双二阶广义积分器锁频环的输入端与FPGA倍频数据采集单元双向连接，双二阶广义积分器锁频环的输出端依次通过延时信号消除滤波器、滑动平均滤波器与A/D转换器的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：所述供电单元包括电流源单元、LD光源、信号处理单元、波形发生器、光电池、DC-DC转换器、温控保护及外界温度探测电路、驱动及保护电路和后备电源单元，外部电源依次经过电流源单元、LD光源、信号处理单元、波形发生器、光电池和DC-DC转换器为外围电路进行供电，所述CPU数据处理单元与温控保护及外界温度探测电路双向连接，所述CPU数据处理单元通过驱动及保护电路与LD光源相连，所述CPU数据处理单元通过后备电源单元为外围电路进行供电。
4.根据权利要求2所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：所述分频锁相环还包括鉴相器和反馈回路，所述鉴相器依次通过双二阶广义积分器锁频环、延时信号消除滤波器、滑动平均滤波器与反馈回路相连。
5.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：所述反馈回路包括频率反馈回路和相位反馈回路。
6.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：还包括内置存储单元，所述内置存储单元与CPU数据处理单元的输出端相连。
7.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：所述整形电路包括型号为LMC662CN的电压放大器和施密特触发器，所述电压放大器和施密特触发器电连接。
8.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：还包括采样电阻，所述三相钳形电流传感器通过采样电阻分别与信号滤波放大电路的输入端、整形电路的输入端相连。
9.根据权利要求1所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：还包括键盘，所述键盘与CPU数据处理单元的输入端相连。
10.根据权利要求3所述的一种抗谐波干扰的三相电能表现场校验仪，其特征在于：所述信号处理单元包括对电信号进行放大、滤波处理。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114689935A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-07-01 | 贵州电网有限责任公司 | 一种用于电能计量芯片的谐波分析与自校准电路 |
| CN116500536A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-07-28 | 南京丹迪克电力仪表有限公司 | 电能表直流及偶次谐波影响试验的方法及交直流电能表测试装置 |
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| FR2786872A1 (fr) * | 1998-12-07 | 2000-06-09 | Francois Mougeot | Procede de detection des niveaux de perturbations harmoniques d'un reseau electrique et son dispositif |
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2021
- 2021-07-26 CN CN202110844350.6A patent/CN113702897A/zh active Pending
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