一种分时计价的电能计量分析仪论文和设计-陈星

全文摘要

一种分时计价的电能计量分析仪，涉及测量电变量技术领域，设置有信息采集及通讯输出模块、信号处理模块、运算处理模块，还设置有时段控制电路连接数据处理单元，该分析仪可以应用于一种具备分时段计价的无表计费。本实用新型的有益效果在于：本实用新型具备分时计价计费的功能，在对二次回路的实际功率进行深入研究的前提下，提出了一种新型追补电量方法，本实用新型允许在供电线路不断电的情况下更换电能表，并且可以精确地累计无表期间的总供电量，方便后续向用户追补电量，打消用户存在的疑虑，提高优质服务水平。

主设计要求

1.一种分时计价的电能计量分析仪，其特征在于：箱体为圆角的长方体形，内部设置有信息采集及通讯输出模块（1）、信号处理模块（2）、运算处理模块（3）；信息采集及通讯输出模块（1）包括电压接入端口（101）、电流接入端口（103）、电流钳表接口、脉冲电流接口、USB接口、网线接口、RS232调试接口；信号处理模块（2）包括信号放大电路（201）和八通道A\/D模数转换电路（202）；运算处理模块（3）包括数据处理单元STM32F（301）、人机界面ARM系统（303）、按键单元（302）、显示单元（304）；电压接入端口（101）连接电阻分压电路（102），经信号放大电路（201）连接八通道AD模数转换电路（202），再经时段控制电路（4）连接数据处理单元STM32F（301），数据处理单元STM32F（301）连接人机界面ARM系统（303）；电流接入端口（103）连接CT取样电路（104），经信号放大电路（201）连接八通道A\/D模数转换电路（202），再经时段控制电路（4）连接数据处理单元STM32F（301），数据处理单元STM32F（301）连接人机界面ARM系统（303）；人机界面ARM系统（303）与按键单元（302）和显示单元（304）连接；数据处理单元STM32F（301）和八通道AD模数转换电路（202）之间设置有采样时序控制电路，采样时序控制电路连接脉冲输出电路；数据处理单元STM32F（301）还连接有三路电压和三路电流过零比较电路；数据处理单元STM32F（301）还与信号放大电路（201）连接。

设计方案

1.一种分时计价的电能计量分析仪，其特征在于：箱体为圆角的长方体形，内部设置有信息采集及通讯输出模块（1）、信号处理模块（2）、运算处理模块（3）；

信息采集及通讯输出模块（1）包括电压接入端口（101）、电流接入端口（103）、电流钳表接口、脉冲电流接口、USB接口、网线接口、RS232调试接口；

信号处理模块（2）包括信号放大电路（201）和八通道A\/D模数转换电路（202）；

运算处理模块（3）包括数据处理单元STM32F（301）、人机界面ARM系统（303）、按键单元（302）、显示单元（304）；

电压接入端口（101）连接电阻分压电路（102），经信号放大电路（201）连接八通道AD模数转换电路（202），再经时段控制电路（4）连接数据处理单元STM32F（301），数据处理单元STM32F（301）连接人机界面ARM系统（303）；电流接入端口（103）连接CT取样电路（104），经信号放大电路（201）连接八通道A\/D模数转换电路（202），再经时段控制电路（4）连接数据处理单元STM32F（301），数据处理单元STM32F（301）连接人机界面ARM系统（303）；人机界面ARM系统（303）与按键单元（302）和显示单元（304）连接；

数据处理单元STM32F（301）和八通道AD模数转换电路（202）之间设置有采样时序控制电路，采样时序控制电路连接脉冲输出电路；数据处理单元STM32F（301）还连接有三路电压和三路电流过零比较电路；数据处理单元STM32F（301）还与信号放大电路（201）连接。

2.根据权利要求1所述的一种分时计价的电能计量分析仪，其特征在于：所述的分析仪内部还包括电源供应模块，电源供应模块设置锂电池供电和外接电源插口，外接电源插口可以为设备供电和为锂电池充电，还设置有充电指示灯、满压指示灯、欠压指示灯，充供电开关。

3.根据权利要求1所述的一种分时计价的电能计量分析仪，其特征在于：所述的电阻分压电路（102）采用精密电阻取样，CT取样电路（104）采用有源补偿电流互感器取样。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及测量电变量技术领域，特别是涉及一种分时计价的电能计量分析仪及其应用方法。

背景技术

针对故障电能表或者超周期电能表，需携带新的电能表将现场电能表进行更换，由于表计更换期间无表计费，表计更换完成后需开展追补电量工作。

传统的电量追补方法是：记录换表前后的电压、电流大小以计算换表期间平均功率，记录换表前后的功率因数以计算平均功率因素，记录换表所花的时间，利用（功率×功率因素×换表时间×计量点倍率）的方法得出换表期间所少计的电量。这种计算方法利用了平均功率和平均功率因数进行计算，所以得出的电量实际上是个估算值，并非现场上网（下网）的实际电量，尤其是在线路倍率很大时，与实际电量的差值会很大。部分用户已向计量单位反映了对所追补电量存在疑虑的想法，对优质服务工作的印象大打折扣。

以某水电站开展750kV拉官线电能表轮换工作为例，更换表计前后，最高负荷为132.24kW，最低负荷为115.425kW，平均负荷为123.83kW，换表耗时0.5小时，线路倍率为3200万。故，如按最高负荷追补电量，应追补上网电量211.584万kWh；如按最低负荷追补电量，应追补上网电量184.68万kWh；如按平均负荷追补电量，应追补上网电量198.132万kWh。按照平均负荷计算所得的追补电量，与按照最高或最低负荷计算所得的追补电量的相差值，可达到13.452万kWh。所以，此种计算方法所得电量存在一定的不合理性。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种分时计价的电能计量分析仪及其应用方法，可以准确累计新、旧电能表更换过程中的无表期间总供电量，并准确计算无表期间需要分段计价的总电费。

本实用新型提供一种分时计价的电能计量分析仪，箱体为圆角的长方体形，内部设置有信息采集及通讯输出模块（1）、信号处理模块（2）、运算处理模块（3）；

信息采集及通讯输出模块（1）包括电压接入端口（101）、电流接入端口（103）、电流钳表接口、脉冲电流接口、USB接口、网线接口、RS232调试接口；

信号处理模块（2）包括信号放大电路（201）和八通道A\/D模数转换电路（202）；

运算处理模块（3）包括数据处理单元STM32F（301）、人机界面ARM系统（303）、按键单元（302）、显示单元（304）；

所述的分析仪内部还包括电源供应模块，电源供应模块设置锂电池供电和外接电源插口，外接电源插口可以为设备供电和为锂电池充电，还设置有充电指示灯、满压指示灯、欠压指示灯，充供电开关。

所述的电阻分压电路（102）采用精密电阻取样，CT取样电路（104）采用有源补偿电流互感器取样。

所述分析仪操作界面上设置有：电压接入端口（101）3个、地线电压接入端口1个、电流接入端口（103）3个、电流接出端口3个，电流钳表接口3个、脉冲电流接口1个、USB接口1个、网线接口1个、RS232调试接口1个。

所述的分析仪仅适用于交流电路，其信号采集方法为：一个周波采样512点，三相电压、三相电流信号同步采样，每转换完一个数据，数据处理单元都及时地从A\/D芯片读取6路信号的数据并进行存储，一个周波转换输出完成后，运算处理模块就开始计算三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、相位和频率等电参量。

所述的运算处理模块对电压和电流的有效值的计算方法为:计算六路信号各512个波形点数据的平方和，然后开根号，结合硬件参数计算出三相电压、电流有效值。

所述的运算处理模块对有功功率和无功功率的计算方法为:计算6个电压波形数组和电流波形数组的点对点相乘并相加计算，无功功率采用移相90度方法计算；

其中有功功率：

Pa=Ua_{1<\/sub>Ia_{1<\/sub>+Ua_{2<\/sub>Ia_{2<\/sub>+…+Ua_{512<\/sub>Ia_512<\/sub>}}}}}

Pb=Ub_{1<\/sub>Ib_{1<\/sub>+Ub_{2<\/sub>Ib_{2<\/sub>+…+Ub_{512<\/sub>Ib_512<\/sub>}}}}}

Pc=Uc_{1<\/sub>Ic_{1<\/sub>+Uc_{2<\/sub>Ic_{2<\/sub>+…+Uc_{512<\/sub>Ic_512<\/sub>}}}}}

Pz=Pa+Pb+Pc

其中无功功率:

Qa=Ua_{1<\/sub>Ia_{129<\/sub>+Ua_{2<\/sub>Ia_{130<\/sub>+…+Ua_{384<\/sub>Ia_{512<\/sub>+Ua_{385<\/sub>Ia_{1<\/sub>+…+Ua_{512<\/sub>Ia_128<\/sub>}}}}}}}}}

Qb=Ub_{1<\/sub>Ib_{129<\/sub>+Ub_{2<\/sub>Ib_{130<\/sub>+…+Ub_{384<\/sub>Ib_{512<\/sub>+Ub_{385<\/sub>Ib_{1<\/sub>+…+Ub_{512<\/sub>Ib_128<\/sub>}}}}}}}}}

Qc=Uc_{1<\/sub>Ic_{129<\/sub>+Uc_{2<\/sub>Ic_{130<\/sub>+…+Uc_{384<\/sub>Ic_{512<\/sub>+Uc_{385<\/sub>Ic_{1<\/sub>+…+Uc_{512<\/sub>Ic_128<\/sub>}}}}}}}}}

Qz=Qa+Qb+Qc

所述的运算处理模块对视在功率的计算方法为：采用电压有效值乘以电流有效值进行计算；

Sa=UaIa；Sb=UbIb；Sc=UcIc；

Sz=Sa+Sb+Sc

所述的运算处理模块对有功电能和无功电能的计算方法为：仪器内置标准时钟基准，采用100mS累计一次有功电能和无功电能；

有功电能（100ms）=PzT=Pz*100mS；

无功电能（100ms）=QzT=Qz*100mS；

其中有功功率Pz和无功功率Qz都是100mS时间内的平均功率；

总有功能电能=P_{Z1<\/sub>T_{1<\/sub>+P_{Z2<\/sub>T_{2<\/sub>+P_{Z3<\/sub>T_{3<\/sub>+…+P_{ZN<\/sub>T_N<\/sub>}}}}}}}

总无功能电能=Q_{Z1<\/sub>T_{1<\/sub>+Q_{Z2<\/sub>T_{2<\/sub>+Q_{Z3<\/sub>T_{3<\/sub>+…+Q_{ZN<\/sub>T_N<\/sub>}}}}}}}

所述的运算处理模块对尖峰平谷有功电能和无功电能的计算方法为：以尖时段电能计算为例进行说明：假设T_{1<\/sub>时刻开始进入尖时段，记下当前时刻的总有功电能P_{Z1<\/sub>和无功电能Q_{Z1<\/sub>，该时段未结束前实时记下该次尖时段内的总有功电能P_{Z2<\/sub>和无功电能Q_{Z2<\/sub>，直到T_{2<\/sub>时间结束尖时刻进入其他时段；尖时段内总的电能计算公式如下：}}}}}}

尖时段累计总有功电能=P_{Z2<\/sub>–P_{Z1<\/sub>+上一个该时段累积完后的尖时段有功电能；}}

尖时段累计总无功电能=Q_{Z2<\/sub>–Q_{Z1<\/sub>+上一个该时段累积完后的尖时段无功电能；}}

一种具备分时段计价的无表计费方法，包括以下步骤：

S01，旧电能表通过接线盒与供电线路及相应电流互感器的二次侧引线相连接，利用接线盒在供电线路上并联电能计量分析仪；

S02，断开旧电能表与供电线路之间的连接，同时由电能计量分析仪开始实时累计供电量；

S03，将新电能表按照旧电能表的连接方式接入供电线路并开始实时累计供电量，同时电能计量分析仪停止累计供电量，得到新、旧电能表更换过程中的无表期间总供电量；

S04，电能计量分析仪根据分时段计费表和无表期间总供电量，计算新、旧电能表更换过程中的无表期间总电费；

S05，拆除电能计量分析仪。

所述步骤S02具体如下：在旧电能表换掉前，先通过向量图来检查电能计量分析仪的接线方式是否正确；然后在电能计量分析仪上输入相关参数；通过移动接线盒的相应划片，切断旧电表的电压线路后再拆除旧电表，同时通过移动接线盒的相应划片，将各电流互感器连接至电能计量分析仪，按下电能计量分析仪的“开始”键，开始累计供电量。

所述步骤S03具体如下：在新电能表接入接线盒后，通过移动接线盒的相应划片，将新电能表经接线盒连接至供电线路，各电流互感器连接至新电能表，同时按下电能计量分析仪的“停止”键，停止累计供电量。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型设置时段控制电路，实现了分析仪分时计价计费的功能，本实用新型对二次回路的实际功率进行深入研究的前提下，提出了一种新型追补电量方法，本实用新型允许在供电线路不断电的情况下更换电能表，并且依靠电能计量分析仪可以精确地累计无表期间的总供电量，方便后续向用户追补电量，打消用户存在的疑虑，提高优质服务水平。

附图说明

图1为本实用新型内部连接框图；

图2为本实用新型实施例2接线盒结构示意图

图3为本实用新型实施例2三相四线供电线路、接线盒、电能表的连接示意图；

图4为本实用新型实施例2三相四线供电线路、电能表、接线盒以及电能计量分析仪的电路连接示意图；

图5为本实用新型实施例2三相三线供电线路、电能表、接线盒以及电能计量分析仪的电路连接示意图；

图中：其中，1、信息采集及通讯输出模块，101、电压接入端口，102、电阻分压电路，103、电流接入端口，104、CT取样电路，2、信号处理模块，201、信号放大电路，202、八通道A\/D模数转换电路（202），3、运算处理模块，301、据处理单元STM32F，302、按键单元，303、人机界面ARM系统，304、显示单元；1c～21c为接线盒上端的接线端子的编号，1b～10b为接线盒的划片的编号，1a～13a为接线盒下端的接线端子的编号，1d～10d为电能表的接线端子的编号。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，本实用新型提供一种分时计价的电能计量分析仪，一种分时计价的电能计量分析仪，箱体为圆角的长方体形，内部设置有信息采集及通讯输出模块（1）、信号处理模块（2）、运算处理模块（3）；

信息采集及通讯输出模块（1）包括电压接入端口（101）、电流接入端口（103）、电流钳表接口、脉冲电流接口、USB接口、网线接口、RS232调试接口；

信号处理模块（2）包括信号放大电路（201）和八通道A\/D模数转换电路（202）；

运算处理模块（3）包括数据处理单元STM32F（301）、人机界面ARM系统（303）、按键单元（302）、显示单元（304）；

所述的电阻分压电路（102）采用精密电阻取样，CT取样电路（104）采用有源补偿电流互感器取样。

实施例2，本实用新型提供一种具备分时段计价的无表计费方法，包括以下步骤：

S01，利用接线盒在供电线路上并联一个电能计量分析仪；

如图所示：接线盒共有7组端子构成，其中电流线路用3组，每组有3只接线端子，每只端子上下是一个整体，左右是断开的，端子间用划片进行连接或断开。电压线路用4组，每组有3只接线端子，每只端子上下是一个整体，左右是连通的，上下是断开的，采用划片进行连接或断开。

旧电能表通过接线盒与供电线路及相应电流互感器的二次侧引线相连接，具体如下：

（A）电能表的各接线端子与接线盒的上端接线端子相连接，具体连接方式如下：1d连接5c，2d连接2c，3d连接6c，4d连接11c，5d连接8c，6d连接12c，7d连接17c，8d连接14c，9d连接18c，10d连接20c；

（B）接线盒的下端与各电流互感器的二次侧引线相连接，具体如下：火线U连接1a、火线V连接5a、火线W连接8a、零线N连接13a；火线U的电流互感器首端、末端分别对应连接2a、4a；火线V的电流互感器首端、末端分别对应连接6a、8a；火线W的电流互感器首端、末端分别对应连接10a、12a。

（C）1b、4b、7b、10b分别为4组电压线路的划片，电能表运行时接通；2b、3b、5b、6b、8b、9b为3组电流线路的划片，电能表运行时2b、5b、8b接通，3b、6b、9b断开。

这样，电能表即可对三相四线供电线路的供电量进行计算。

参照图2和图4，电能计量分析仪与接线盒之间的具体连接方式具体如下：

将电能计量分析仪的电压u、v、w、n的输入端分别对应连接至接线盒下端的接线端子1a、5a、8a、13a；将电能计量分析仪的电流Iu、Iv、Iw的输入（进）端分别对应连接至接线盒上端的接线端子4c、10c、16c；将电能计量分析仪的电流Iu、Iv、Iw的输出端分别对应连接至接线盒上端的接线端子3a、7a、11a。

S02，断开旧电能表与供电线路之间的连接，同时由电能计量分析仪开始实时累计供电量。

具体地，在旧电能表换掉前，先通过向量图来检查电能计量分析仪的接线方式是否正确；然后在电能计量分析仪上输入相关参数，包括电能表上显示的各费率电量，正反向有功输入输出电量(总、峰、平、谷)、正反向无功总电量、互感器变比、电流变压器变比和倍率；通过移动接线盒中电压线路的相应划片，使1b、4b、7b、10b断开，切断旧电表的电压线路后再拆除旧电表（断开旧电表所有接线端子上的导线）；同时通过移动接线盒中电流线路的相应划片，使2b、5b、8b断开，3b、6b、9b接通，使各电流互感器连接至电能计量分析仪，按下电能计量分析仪的“开始”按键，开始累计供电量。

S03，将新电能表按照旧电能表的连接方式接入供电线路并开始实时累计供电量，同时电能计量分析仪停止累计供电量，得到新、旧电能表更换过程中的无表期间总供电量。

具体如下：在新电能表接入接线盒后，移动接线盒中电压线路的相应划片，使1b、4b、7b、10b接通，移动接线盒中电流线路的相应划片，使2b、5b、8b接通，3b、6b、9b断开，使新电能表经接线盒连接至供电线路，使各电流互感器连接至新电能表，同时按下电能计量分析仪的“停止”按键，停止累计供电量。

S04，电能计量分析仪根据分时段计费表和无表期间总供电量，计算新、旧电能表更换过程中的无表期间总电费；分时段计费表可以事先输入电能计量分析仪备用，当电能计量分析仪获得无表期间总供电量后自动根据分时段计费表换算出无表期间总供电量。

S05，拆除电能计量分析仪。

参照图2至图5，供电线路无论是三相四线，还是三相三线，均可采用本实用新型公开的无表计费方法，虽然在具体接线方式上有所不用，但是在原理上一致。

本实用新型允许在供电线路为用户供电的情况下更换电能表，并且依靠电能计量分析仪可以精确地累计无表期间的总供电量，方便后续向用户追补电量存在疑虑的想法，提高优质服务水平。

设计图

一种分时计价的电能计量分析仪论文和设计

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全文摘要

主设计要求

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设计说明书

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