一種適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，包括一次高壓接線端、接地端、高壓電容模塊、雙向保護模塊、電壓形成模塊，一次高壓接線端與高壓母線相連，高壓電容模塊高壓端與一次高壓接線端連接，雙向保護模塊串接在高壓電容模塊低壓端和接地端之間，電壓形成模塊輸入端與高壓電容模塊低壓端相連，電壓形成模塊輸出端設有依次串接的穩暫態雙通道信號積分模塊、雙積分信號采集處理模塊、通信模塊。本實用新型采用穩暫態雙通道信號積分模塊實現對諧波穩態信號和暫態擾動信號的積分，兼顧了諧波電壓檢測和暫態擾動電壓檢測，并具有數字輸出，滿足電子式互感器國際標準規定的電能質量品質測量要求。
【專利說明】
一種適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種電子式電壓互感器，特別涉及一種適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器。
【背景技術】
[0002]智能電網中大量使用各種電力電子裝置，并允許接入風能、太陽能等具有隨機特性的分布式電源，系統中諧波和暫態擾動等電能質量問題日益突出。與此同時，智能電網中對電能質量敏感的負荷不斷增加，對電能質量提出了更高的要求，因此對智能電網電能質量進行高精度、有效檢測，對掌握電能質量情況、改善和提高智能電網電能質量具有重要的意義。利用電力互感器準確地傳變和檢測電能質量一次信號是實現電能質量參數進一步測量、分析的重要前提。
[0003]傳統的高壓電壓互感器存在頻帶窄、暫態擾動傳變特性不理想、不具備數字接口等問題，無法滿足智能電網對電能質量信號高精度檢測的需要。近十多年來，電子式互感器發展迅速，其具有體小質輕、無鐵磁諧振、絕緣結構簡單、采用數字量輸出等優點，很好地適應了智能電網的發展需求。利用電子式互感器進行電能質量信號傳變與檢測是智能電網電能質量檢測技術發展的必然趨勢。
[0004]電子式電壓互感器主要分為無源光學電壓互感器和有源電子式電壓互感器。光學電壓互感器采用光學晶體及光學纖維實現對高電壓的測量，具有良好的寬頻響應特性和高精度特性，可以用來測量諧波，但光學電壓互感器的工作性能受溫度、振動等外界因素影響大，其長期運行的穩定性、可靠性需要進一步研究，因此至今國內外光學電壓互感器都未在工程現場大規模應用。相比而言，由于沒有光學傳感頭，有源電子式電壓互感器比光學電壓互感器的工作性能更加穩定，而且其一次傳感技術比較成熟，運行經驗豐富，因此在系統中獲得了更加廣泛的應用，現階段國內智能變電站在運的高壓電子式電壓互感器幾乎全部為有源電容分壓型電子式電壓互感器。電容分壓型電子式電壓互感器的傳感頭可以等效為一個電容分壓器，為了在暫態過程中釋放電容分壓器低壓電容上的滯留電荷、改善互感器的暫態性能，通常在低壓電容兩端并聯一個小電阻，該并聯電阻的存在導致電容分壓型電子式電壓互感器的諧波傳變特性發生一定的畸變，頻率越高，諧波的幅值誤差和相位誤差越大，影響諧波測量結果，無法滿足IEC60044-8電子式互感器國際標準規定的電能質量品質測量要求。有鑒于此，對適用于智能變電站電能質量高精度檢測的電子式電壓互感器的研究具有重要的理論意義和實踐意義。
【發明內容】
[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種抗干擾能力強、測量精度高、諧波檢測范圍寬的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器。
[0006]本實用新型解決上述問題的技術方案是:一種適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，包括一次高壓接線端、接地端、高壓電容模塊、雙向保護模塊、電壓形成模塊，一次高壓接線端與高壓母線相連，高壓電容模塊高壓端與一次高壓接線端連接，雙向保護模塊串接在高壓電容模塊低壓端和接地端之間，在高壓電容模塊上流過反映一次高壓信號的電容電流，電壓形成模塊輸入端與高壓電容模塊低壓端相連，形成反映一次高壓信號的等比微分電壓信號，所述電壓形成模塊輸出端設有依次串接的穩暫態雙通道信號積分模塊、雙積分信號采集處理模塊、通信模塊。
[0007]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，所述穩暫態雙通道信號積分模塊包括諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊，諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊的輸入端與電壓形成模塊的輸出端相連，諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊的輸出端與雙積分信號采集處理模塊相連。
[0008]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，所述諧波穩態信號積分模塊包括第一運算放大器、第一電阻、第二電阻、第一電容、第一模擬開關和第二模擬開關，所述第一運算放大器的同相輸入端接地，第一運算放大器的反相輸入端經第一電阻、第一模擬開關后接電壓形成模塊的輸出端，第一運算放大器的輸出端與雙積分信號采集處理模塊相連，所述第一電容跨接在第一運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，所述第二電阻并接在第一電容兩端，所述第二模擬開關并接在第二電阻兩端，所述第一模擬開關和第二模擬開關的控制端分別與雙積分信號采集處理模塊相連。
[0009]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，所述暫態擾動信號積分模塊包括第二運算放大器、第三運算放大器、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第二電容和第三電容，所述第二運算放大器的同相輸入端經第四電阻、第三電阻后接電壓形成模塊的輸出端，所述第二電容的一端接在第三電阻與第四電阻之間，第二電容的另一端與第二運算放大器的輸出端相連，第三電容的一端與第二運算放大器的同相輸入端相連，第三電容的另一端接地，第二運算放大器的反相輸入端經第五電阻后接地，所述第六電阻跨接在第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間，第三運算放大器的同相輸入端接地，第三運算放大器的反相輸入端經第七電阻后與第二運算放大器的輸出端相連，第三運算放大器的輸出端與雙積分信號采集處理模塊相連，第八電阻跨接在第三運算放大器的反相輸入端與輸出端之間。
[0010]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，所述高壓電容模塊為采用低膨脹合金4J36制作而成的高低壓圓筒形電極。
[0011]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，所述雙向保護模塊包括串接在高壓電容模塊低壓端和接地端之間的兩個正反對接的二極管。
[0012]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，電壓形成模塊包括第四運算放大器和第九電阻，所述第四運算放大器的同相輸入端連接接地端，第四運算放大器的反相輸入端與高壓電容模塊低壓端相連，第四運算放大器的輸出端作為電壓形成模塊的輸出端，第九電阻跨接在第四運算放大器的反相輸入端與輸出端之間。
[0013]本實用新型的有益效果在于:
[0014]1、本實用新型在電壓形成模塊輸出端設有依次串接的穩暫態雙通道信號積分模塊、雙積分信號采集處理模塊、通信模塊，穩暫態雙通道信號積分模塊分別對一次諧波穩態電壓和暫態擾動電壓的等比微分電壓信號進行積分處理，形成反映一次諧波穩態電壓和暫態擾動電壓的二次模擬電壓輸出信號，雙積分信號采集處理模塊分別對二次諧波穩態電壓和暫態擾動電壓信號完成信號采樣處理，并依據采樣結果進行電壓信號的識別，從而靈活地調整輸出的數字信號，當一次電壓處于穩態時，輸出諧波穩態信號積分模塊的采樣數據；當一次電壓處于暫態擾動狀態時，輸出暫態擾動信號積分模塊的采樣數據，并將輸出結果輸入通信模塊后形成電子式電壓互感器的二次輸出，采用穩暫態雙通道信號積分模塊實現對諧波穩態信號和暫態擾動信號的積分，兼顧了諧波電壓檢測和暫態擾動電壓檢測，并具有數字輸出，滿足IEC60044-8電子式互感器國際標準規定的電能質量品質測量要求，同時可滿足基波電壓的檢測要求。
[0015]2、本實用新型將高壓電容模塊直接并聯在被測一次高壓信號兩端，利用高壓電容電流反映一次電壓，避免了電容分壓型電子式電壓互感器低壓電容并聯電阻對互感器諧波傳變特性的影響，提高了電子式電壓互感器的諧波檢測頻率范圍；同時，利用傳輸電流信號受電磁場干擾影響小的特點，提高了電子式電壓互感器的抗干擾性能。
[0016]3、本實用新型的高壓電容模塊為采用低膨脹合金4J36制作而成的高低壓圓筒形電極，其電容量隨溫度變化極小，電容性能穩定，準確度高，提高了電子式電壓互感器的檢測精度。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的電路圖。
[0018]圖2為本實用新型穩暫態雙通道信號積分模塊中諧波穩態信號積分模塊的電路圖。
[0019]圖3為本實用新型穩暫態雙通道信號積分模塊中暫態擾動信號積分模塊的電路圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0021]如圖1所示，本實用新型包括一次高壓接線端1、接地端2、高壓電容模塊3、雙向保護模塊4、電壓形成模塊5、穩暫態雙通道信號積分模塊6、雙積分信號采集處理模塊7、FPGA通信模塊8和數字輸出端9。
[0022]—次高壓接線端I與高壓母線相連，高壓電容模塊3高壓端與一次高壓接線端I連接，雙向保護模塊4包括串接在高壓電容模塊3低壓端和接地端2之間的兩個正反對接的二極管401和402，在高壓電容模塊3上流過反映一次高壓信號的電容電流，電壓形成模塊5包括第四運算放大器501和第九電阻502，所述第四運算放大器501的同相輸入端連接接地端2，第四運算放大器501的反相輸入端與高壓電容模塊3低壓端相連，第四運算放大器501的輸出端作為電壓形成模塊5的輸出端，第九電阻502跨接在第四運算放大器501的反相輸入端與輸出端之間，形成反映一次高壓信號的等比微分電壓信號，所述電壓形成模塊5輸出端設有依次串接的穩暫態雙通道信號積分模塊6、雙積分信號采集處理模塊7、通信模塊8和數字輸出端9。
[0023]所述穩暫態雙通道信號積分模塊6包括諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊，諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊的輸入端與電壓形成模塊5的輸出端相連，諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊的輸出端與雙積分信號采集處理模塊7相連。
[0024]如圖2所示，所述諧波穩態信號積分模塊采用有損積分器，通過選取合適的元器件參數使其時間常數大，積分頻帶寬，可以滿足60次以下諧波電壓和基波電壓檢測精度要求，其包括第一運算放大器601、第一電阻602、第二電阻603、第一電容604、第一模擬開關605和第二模擬開關606，所述第一運算放大器601的同相輸入端接地，第一運算放大器601的反相輸入端經第一電阻602、第一模擬開關605后接電壓形成模塊5的輸出端，第一運算放大器601的輸出端與雙積分信號米集處理模塊7相連，所述第一電容604跨接在第一運算放大器601的反相輸入端和輸出端之間，所述第二電阻603并接在第一電容604兩端，所述第二模擬開關606并接在第二電阻603兩端，其中第一模擬開關605由雙積分信號米集處理模塊7控制分合，以控制諧波穩態信號積分模塊在一次電壓為穩態時在電壓過零點投入工作，一次電壓為暫態時退出工作，第二模擬開關606也由雙積分信號米集處理模塊7控制分合，在諧波穩態信號積分模塊退出工作時對第一電容604放電，保證投入諧波穩態信號積分模塊時不產生暫態過程，保證對諧波穩態信號的測量精度。
[0025]如圖3所示，所述暫態擾動信號積分模塊基于二階低通濾波器構成，通過選取合適的元器件參數使其暫態過程短暫，能準確快速地反映一次暫態擾動信號，其包括第二運算放大器607、第三運算放大器608、第三電阻609、第四電阻610、第五電阻611、第六電阻612、第七電阻615、第八電阻616、第二電容613和第三電容614，所述第二運算放大器607的同相輸入端經第四電阻610、第三電阻609后接電壓形成模塊5的輸出端，所述第二電容613的一端接在第三電阻609與第四電阻610之間，第二電容613的另一端與第二運算放大器607的輸出端相連，第三電容614的一端與第二運算放大器607的同相輸入端相連，第三電容614的另一端接地，第二運算放大器607的反相輸入端經第五電阻611后接地，所述第六電阻612跨接在第二運算放大器607的反相輸入端與輸出端之間，第三運算放大器608的同相輸入端接地，第三運算放大器608的反相輸入端經第七電阻615后與第二運算放大器607的輸出端相連，第三運算放大器608的輸出端與雙積分信號采集處理模塊7相連，第八電阻616跨接在第三運算放大器608的反相輸入端與輸出端之間。
[0026]上述適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器中，所述高壓電容模塊3為采用低膨脹合金4J36制作而成的高低壓圓筒形電極，溫度在-40 °C到70 °C范圍內變化時電容值變化在0.01 %以內，性能穩定，準確度高。
[0027]雙積分信號采集處理模塊7由依次串接的信號調理模塊、模數轉換模塊、信息處理模塊組成。
[0028]通信模塊8包括采樣數據組幀打包模塊、信息編碼模塊和電光轉換模塊。
[0029]本實用新型的工作原理如下:在高壓電容模塊3上流過反映一次高壓信號的電容電流，電壓形成模塊5形成反映一次高壓信號的等比微分電壓信號，穩暫態雙通道信號積分模塊6對一次諧波穩態電壓和暫態擾動電壓的等比微分電壓信號進行積分處理，形成反映一次諧波穩態電壓和暫態擾動電壓的二次模擬電壓輸出信號，雙積分信號采集處理模塊7分別對二次諧波穩態電壓和暫態擾動電壓信號完成信號采樣處理，并依據采樣結果進行電壓信號的識別，從而調整輸出的數字信號，當一次電壓處于穩態時，輸出諧波穩態信號積分模塊的采樣數據；當一次電壓處于暫態擾動狀態時，輸出暫態擾動信號積分模塊的采樣數據，并將輸出結果輸入通信模塊8后形成電子式電壓互感器的二次輸出，采用穩暫態雙通道信號積分模塊6實現對諧波穩態信號和暫態擾動信號的積分，兼顧了諧波電壓檢測和暫態擾動電壓檢測，并具有數字輸出，滿足IEC60044-8電子式互感器國際標準規定的電能質量品質測量要求，同時可滿足基波電壓的檢測要求。
【主權項】
1.一種適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，包括一次高壓接線端、接地端、高壓電容模塊、雙向保護模塊、電壓形成模塊，一次高壓接線端與高壓母線相連，高壓電容模塊高壓端與一次高壓接線端連接，雙向保護模塊串接在高壓電容模塊低壓端和接地端之間，在高壓電容模塊上流過反映一次高壓信號的電容電流，電壓形成模塊輸入端與高壓電容模塊低壓端相連，形成反映一次高壓信號的等比微分電壓信號，其特征在于:所述電壓形成模塊輸出端設有依次串接的穩暫態雙通道信號積分模塊、雙積分信號采集處理模塊、通信模塊。2.根據權利要求1所述的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，其特征在于:所述穩暫態雙通道信號積分模塊包括諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊，諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊的輸入端與電壓形成模塊的輸出端相連，諧波穩態信號積分模塊和暫態擾動信號積分模塊的輸出端與雙積分信號采集處理模塊相連。3.根據權利要求2所述的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，其特征在于:所述諧波穩態信號積分模塊包括第一運算放大器、第一電阻、第二電阻、第一電容、第一模擬開關和第二模擬開關，所述第一運算放大器的同相輸入端接地，第一運算放大器的反相輸入端經第一電阻、第一模擬開關后接電壓形成模塊的輸出端，第一運算放大器的輸出端與雙積分信號采集處理模塊相連，所述第一電容跨接在第一運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，所述第二電阻并接在第一電容兩端，所述第二模擬開關并接在第二電阻兩端，所述第一模擬開關和第二模擬開關的控制端分別與雙積分信號采集處理模塊相連。4.根據權利要求2所述的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，其特征在于:所述暫態擾動信號積分模塊包括第二運算放大器、第三運算放大器、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第二電容和第三電容，所述第二運算放大器的同相輸入端經第四電阻、第三電阻后接電壓形成模塊的輸出端，所述第二電容的一端接在第三電阻與第四電阻之間，第二電容的另一端與第二運算放大器的輸出端相連，第三電容的一端與第二運算放大器的同相輸入端相連，第三電容的另一端接地，第二運算放大器的反相輸入端經第五電阻后接地，所述第六電阻跨接在第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間，第三運算放大器的同相輸入端接地，第三運算放大器的反相輸入端經第七電阻后與第二運算放大器的輸出端相連，第三運算放大器的輸出端與雙積分信號采集處理模塊相連，第八電阻跨接在第三運算放大器的反相輸入端與輸出端之間。5.根據權利要求1所述的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，其特征在于:所述高壓電容模塊為采用低膨脹合金4J36制作而成的高低壓圓筒形電極。6.根據權利要求1所述的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，其特征在于:所述雙向保護模塊包括串接在高壓電容模塊低壓端和接地端之間的兩個正反對接的二極管。7.根據權利要求1所述的適用于智能電網電能質量檢測的電子式電壓互感器，其特征在于:電壓形成模塊包括第四運算放大器和第九電阻，所述第四運算放大器的同相輸入端連接接地端，第四運算放大器的反相輸入端與高壓電容模塊低壓端相連，第四運算放大器的輸出端作為電壓形成模塊的輸出端，第九電阻跨接在第四運算放大器的反相輸入端與輸出端之間。
【文檔編號】G01R19/25GK205643468SQ201620487414
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】邵霞, 彭紅海, 王娜
【申請人】湖南大學