一种电能计量回路高精度数据同步采样装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种计量回路高精度采样装置及方法，特别是一种用于变电站计量二次回路电压、电流数据的高精度采样。
【背景技术】
[0002]关口电能计量装置是供用电双方贸易结算的计量设备，由于重要关口交易的电量很大，因此关口电能计量装置的运行误差显得尤为重要。按照行业标准DL/T448-2000《电能计量技术管理规范》的要求，发电上网、跨区域输电、跨省输电、大用户等重要关口计量点安装的贸易结算用电能表至少每3个月现场检验1次。且现场检验设备精度必须要比现场计量装置的精度高出2个等级。重要关口电能表的精度为0.2S，因此现场检验设备精度必须高于0.05级，目前的采样装置及方法无法完全达到该精度要求。
【发明内容】
[0003]本发明的一个目的就是提供一种电能计量回路高精度数据同步采样装置，它可以实现高精度数据同步采样。
[0004]本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有电压变换互感器、电流变换互感器、第一滤波器、第二滤波器、第一 A/D转换器、第二 A/D转换器、基准模块、处理模块和恒温晶振，电压变换器通过第一滤波器与第一 A/D转换器电连接，第一 A/D转换器与处理模块电连接，电流变换互感器通过第二滤波器与第二 A/D转换器电连接，第二 A/D转换器与与处理模块电连接，基准模块分别与第一 A/D转换器和第二 A/D转换器电连接，恒温晶振与处理模块电连接。
[0005]进一步，电压变换互感器采用零磁通互感器，额定一次电压57.7V?500V，负载电阻彡20k Ω，变比为100V:2.5V或57.7V:2.5V，精度等级大于等于0.005级。
[0006]进一步，电流变换互感器采用闭合式互感器，串联接入待测原电流二次回路，额定一次电流:1A、5A，负载电阻:50Ω，变比为5Α:5mA，精度等级大于等于0.005级。
[0007]进一步，第一滤波器和第二滤波器采用截止频率为5kHz的RC低通滤波器、差分电路和电位调整电路。
[0008]进一步，第一 A/D转换器和第二 A/D转换器选用24位高速芯片，转换速率为200ksps，即5微秒，输入电平±5V，信噪比92dB，错码率±1LSB，量化误差为2.5V/224，即
1.5x10 1, A/D转换器的总体误差小于等于0.002%。
[0009]进一步，基准模块为外置基准，基准模块带有恒温槽，温漂系数为0.5PPM，在-15°C _55°C之间工作，温度跨度为60，引起基准电压0.5*60 = 30PPM的漂移，误差为0.0003%。
[0010]进一步，恒温晶振的技术指标为:
[0011 ] 短期稳定性优于± 1x10 8
[0012]输出准确度±8x10 7
[0013]8 小时变差 ±5x10 8
[0014]开机预热时间30分钟。
[0015]本发明的另一个目的就是提供一种电能计量回路高精度数据同步采样方法，它可以将数据采样误差控制在0.0193 %之内，实现高精度数据同步采样。
[0016]本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下:
[0017]1)通过电压互感器和电流互感器，将待测电路的信号转换为满足第一 A/D转换器和第二 A/D转换器采样要求的信号；
[0018]2)对步骤1)中处理后的信号，进行滤波处理；
[0019]3)基准模块为第一 A/D转换器和第二 A/D转换器提供基准电压，恒温晶振通过处理模块为第一 A/D转换器和第二 A/D转换器提供采样时钟，第一 A/D转换器和第二 A/D转换器对步骤2)处理后的信号进行A/D转换，并通过串行的方式发送至处理模块；
[0020]4)处理模块对步骤3)发送的信号进行数据处理，完成数据同步采样。
[0021]进一步，步骤1)至步骤4)中降低抖动的具体方法为:
[0022]A)使用步进变换器方法，正弦时钟信号经过步进变换器后产生类似于方波的时钟信号;
[0023]B)外加门电路作为比较器把正弦时钟信号方波化；
[0024]C)采用一个具有方波输出的低抖动的时钟源；
[0025]D)外部加带通滤波器可以消除时钟信号的抖动。
[0026]由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:
[0027]本发明通过信号电压变换互感器、电流变换互感器将传统互感器输出的100V/57.7V电压信号、5A/1A电流信号转换成满足A/D采样要求的电压信号，经过滤波器将高频干扰信号进行过滤，再通过A/D转换器将其转换成数字信号，并最终通过串行方式发送到处理单元。基准模块给A/D转换器提供一个高精度的电压基准，恒温晶振给A/D转换器提供一个高精度的采样时钟。影响采样精度的有电流变换器:0.005% ;电压变换器:0.005% ；A/D转换器:0.002% ;时钟误差:0.002% ;基准误差:0.0003% ;其他不确定误差:0.005%,本发明总误差在0.0193%以内，满足对关口计量点二次回路电压和电流的高精度采样，加上数字化电能表校验仪，可以实现对关口电能表的校验功能。
[0028]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
【附图说明】
[0029]本发明的【附图说明】如下。
[0030]图1为本发明的结构示意图；
[0031]图2为本发明的使用状态示意图；
[0032]图3为电压互感器工作原理图；
[0033]图4为电流互感器工作原理图；
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0035]本发明所述装置安装于计量点的电表屏柜背面，对计量二次回路的电压和电流做高精度采样，计量屏柜附近放置数字化电能表校验仪，接入高精度采样装置的数字化电压电流信号和电能表的脉冲信号，实现电能表的校验功能。
[0036]—种电能计量回路高精度数据同步采样装置，由电压变换互感器、电流变换互感器、第一滤波器、第二滤波器、第一 A/D转换器、第二 A/D转换器、基准模块、恒温晶振和处理模块组成。其基本工作原理是通过电压变换互感器和电流变换互感器将传统互感器输出的100V/57.7V电压信号、5A/1A电流信号转换成满足A/D采样要求的电压信号，经过第一和第二滤波器将高频干扰信号进行过滤，再通过第一和第二 A/D转换器将其转换成数字信号，并最终通过串行方式发送到处理单元。基准模块给第一和第二 A/D转换器提供一个高精度的电压基准，恒温晶振给A/D转换器提供一个高精度的采样时钟。
[0037]电压变换互感器，将传统互感器输出的100V/57.7V电压信号转换成满足A/D采样要求的电压信号，实现高精度转换。采用电压互感器变换电路进行转换。选用定制的零磁通互感器，额定一次电压:57.7?500V，负载电阻:彡20kQ，变比为100V:2.5V或57.7V:2.5V，精度等级可做到0.005级。
[0038]电流变换互感器，将传统互感器输出的5A/1A电流信号转换成满足A/D采样要求的电压信号，实现高精度转换。采用电流互感器变换电路进行转换，选用闭合式互感器，需串联接入原电流二次回路，额定一次电流:1A、5A，负载电阻:50Ω，变比为5Α:5mA，精度等级可做到0.005级。有些标准表电压和电流信号采用电阻取样，电路设计容易实现，但是受金属材料特性的影响，经过长期大电流和高温工作后，电阻阻值会逐渐发生变化，使得电阻取样的长期变差出现一种增大的趋势，而互感器采样的优势是在线性区工作长期稳定性有保证。
[0039]第一滤波器和第二滤波器，考虑到64次谐波参数的测试，目标带宽为45Hz-3.2kHz，目标信号在进入第一和第二 A/D转换器之前需要进行低通滤波处理。其作用是滤除掉高频干扰信号，防止混叠效应。采用硬件低通滤波器实现，使用一个截止频率为5kHz的RC滤波器。混叠是所有采样系统都存在的一种缺陷，混叠是指A/D输入信号中的频率成分出现在频率低于采样速率一半的采样信号中。高于采样频率512kHz —半的频率成分被镜像或折回到512kHz以下。所有框架的A/D都会出现这种情况。只有采样频率2MHz附近的频率移动到目标计量频段45Hz至3.2kHz中.为了衰减高频噪声并防止目标频段出现失真，必须引入低通滤波器。对于传统电流互感器，使用一个截止频率为5kHz的RC滤波器，从而在采样频率为2MHz时获得足够高的衰减。该滤波器的衰减性能为20dB/十倍频程，足以消除传统电流互感器的混叠效应。
[0040]第一 A/D转换器和第二 A/D转换器，A/D转换器的设计是该方案非常关键的一步，它直接影响采集的稳定性、线性度和噪声水平。在使用A/D转换器时，为了得到较高的精度，应该采用合适的采样频率，同时，1个周期内采样点的分布应该是平均的。A/D转换的实质是比较模拟电压与基准电压的大小，然后确定比较位。只有这样A/D转换器转换结果产生的误差才会小。
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