CN102077098A - 高密度计量系统 - Google Patents

Abstract

一种监控AC配电系统的多个分支电路中的电功率的方法，包括：利用主计量单元，监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电压，利用从多个分支电路中的电流变换器接收多个电流输入的多个电流卡，监控多个分支电路的电流，在AC功率信号的每个周期中，多次在主计量单元中对被监控电压取样，和在电流卡中对被监控电流取样，在电流卡中确定被取样电流的频谱分量的幅度和角度，把代表至少所选频谱分量的幅度和角度的数据从电流卡发给主计量单元，和把电压样本与至少所选频谱分量的幅度和角度存储在主计量单元中。

Description

高密度计量系统

技术领域

本发明涉及配电系统的监控，尤其涉及监控电力供应自主母线的配电系统及其多个分支电路。

背景技术

在具有多个分支电路的配电系统中，由于种种理由，包括负载管理、电能质量分析和租户计量，期望监控每个分支电路。过去，不得不用单独的仪表监控每个分支电路，从而造成多个仪表、导线、存储器、处理器、通信端口等的冗余。开发了高密度计量(HDM)系统，以用单个仪表监控具有多个分支电路的配电系统，并消除大量的冗余。结果，HDM显著节约材料、空间和安装成本。

在设计HDM系统时，目的是设计一种有效监控多个分支电路，并且精确、通用、方便和经济的仪表。HDM一般具有为配电系统所共有的单一电压输入，和来自每个被监控分支电路的每一相的电流输入。HDM监控一段时间内的电压输入和电流输入，并计算实时读数、需求读数、电能读数和功率分析值。尽管所有HDM监控相同的输入，不过就HDM系统获取数据、内部传送数据和处理数据的方式来说，仍然存在很多变化。

为了设计一种通用的HDM，重要的是能够从各种各样的分支电路配置获取数据。HDM一般只监控配置都一样的分支电路。当单个配电板向各种各样的单相和/或多相负载供电时，这是成问题的。

围绕HDM的其他局限性源于HDM传送和处理获取的数据的能力。HDM的传送和/或处理数据的能力限制了它能够监控的分支电路的数量。必须仔细地权衡决定使用什么内部通信系统或处理器来监控数目最多的电路，和实现这样的组件的成本。实施成本不仅包括通信系统和处理器的成本，而且包括将受到影响的其它设计考虑因素，比如存储器要求、布线和HDM的总尺寸。

为了达到设计HDM的目的，重要的是拥有一种在HDM内获取、传送和处理数据的有效方法。本发明的目的是满足这样的需要以及其他需要。

发明内容

按照一个实施例，监控AC配电系统的多个分支电路中的电功率的方法包括利用主计量单元来监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电压，利用从多个分支电路中的电流变换器接收多个电流输入的多个电流卡来监控多个分支电路的电流，在AC功率信号的每个周期中多次在主计量单元中对被监控电压取样并在电流卡中对被监控电流取样，在电流卡中确定被取样电流的频谱分量的幅度和角度，把代表至少所选频谱分量的幅度和角度的数据从电流卡发给主计量单元，和把电压样本与至少所选频谱分量的幅度和角度存储在主计量单元中。在一种实现中，只把幅度超过预定值的频谱分量发给主计量单元。

优选地，主计量单元确定被取样电压的频谱分量的幅度和角度，并把代表电压频谱分量的所述幅度和角度的数据存储在主计量单元中。

另外，优选地，主计量单元存储表征配电系统的系统电压类型，电流变换器和分支电路配置的数据，使得主计量单元能够利用存储的特征数据以及存储的电压频谱分量和电流频谱分量，计算在每个分支电路中消耗的功率。

根据参考附图做出的各个实施例的详细说明，对本领域的普通技术人员来说，本发明的上述及另外的各个方面将是显而易见的，下面提供附图的简要说明。

附图说明

参考附图，阅读下面的详细说明，本发明的上述及其他优点将变得显而易见。

图1是HDM监控的配电系统的功能方框图；

图2是图1中的HDM的示意图；

图3是包括在图1和2的HDM中的MMU的方框图；

图4是图3的MMU的一般操作的流程图；

图5是包括在图1和2的HDM中的CC的方框图；

图6是图5的CC的一般操作的流程图；

图7a和7b是在电力线信号的一个周期内，图5的CC的操作的图形实例；

图8是在图3的MMU中定义分支电路参数的步骤的流程图；

图9是与配电系统连接的HDM的一部分的方框图。

具体实施方式

尽管下面将结合一些优选实施例描述本发明，不过应该理解本发明并不局限于这些特殊实施例。相反，本发明意图覆盖可包括在由附加的权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代物、修改和等同方案。

图1是从具有多个分支电路1a、1b、1c的主母线1供电，并由高密度仪表(HDM)2监控的配电系统的简化配置。HDM 2是计量主母线1和所有分支电路，并且符合ANSI C12.16.1.0、ANSI C12.20.0.5，和IEC62053-21及IEC62053-23Class 1的功率计。HDM 2(1)经由线路3监控为配电系统所共有的瞬时电压，和(2)经由线路5及变流器(CT)5a监控主母线1的瞬时电流。HDM 2还经由线路4a、4b、4c和CT 6a、6b、6c监控每个分支电路的瞬时电流。HDM 2能够监控包括单相电路或多相电路，比如三线和四线电路的分支电路配置的组合体。

接下来转向图2，HDM 2包括主仪表单元(MMU)20、标记为OC1-OC8的8个选项卡21、背板22、用户接口23和“监听”显示器24。MMU 20和选项卡21被置于单一单元或组件中，并沿着公共背板22连接。用户接口23和监听显示器24以菊花链形式被链接在一起，并利用RS-485电缆经用户接口端口25与MMU 20连接。MMU20是监控主母线1的电压和电流，基本功能与

PM800序列功率计或等同仪表相同的独立仪表。如下更详细所述，通过存储分支电路参数，并获取每个分支电路的时间重合的频谱分量数据，MMU 20还能够计量多个分支电路。选项卡21是可互换的模块组件，它包括诸如电流卡(CC)26、高级通信卡27、I/O卡28、记录卡等的选项。CC 26和MMU 20一起工作，以监控多个分支电路中的电流。CC 26专用于获取分支电路的电流数据，和操纵该数据。图2表示HDM 2的一个实施例，其中选项卡21包括五个CC 26、一个高级通信卡27和两个I/O卡28。

参见图3，MMU 20包括电压输入45、电流输入46、分压网络47、取样与保持电路48、模-数(A-D)转换器49、微处理器50、存储器51、通信端口31、用户接口端口25和电源52。

图4中的流程图表示作为HDM 2的一部分，MMU 20是如何工作的。在步骤71，MMU 20确定配电系统的频率。为了确定频率，MMU 20微处理器50采用以电压输入45监控的配电系统的电压为基础的过零均值技术。在步骤72，MMU 20根据频率产生取样选通控制信号，取样选通控制信号包含128个脉冲/电压基频周期，以获得(1)为配电系统所共有的电压输入和(2)主电路和所有分支电路的电流输入的时间重合的样本。为了获取时间重合的数据样本，在步骤73，控制信号被分发并被MMU的取样和保持电路48接收。控制信号还经背板22被分发给选项卡21。

在步骤74，MMU 20对主母线1的MMU的电压和电流输入取样，并把值存储在MMU的存储器51中。控制信号脉冲的每个上升沿启动MMU 20的取样和保持电路48中的模拟电压输入45和电流输入46的取样。在被发送给微处理器50之前，这些值经过A-D转换器49。

重新参见图3，MMU电压输入45来源于主母线1。MMU电压输入45要求0-600相电压。对大于该范围的系统电压来说，可以使用诸如变压器之类的电压变换器，使电压变到可接受的电压输入范围中。电压输入45与用适当的电阻器形成的分压网络47连接，以把电压衰减或按比例降低到MMU 20的集成电路组件54的可接受水平。

MMU电流输入46来源于主母线1的电流。主母线1导线中的电流由诸如变流器之类的电流变换器测量。按照配电系统的总额定值和MMU的电流输入46的最大额定值，确定电流变换器的尺寸。

在图4的步骤75，MMU 20确定是否存储了每个电压和电流模拟输入的128个样本。如果否，那么MMU 20接收另外的控制信号脉冲，并继续对所有模拟输入取样。当累积了每个电压和电流模拟输入的128个样本(相当于一个周期的样本)时，在步骤76，MMU的微处理器50对前一周期内的被取样数据执行快速傅里叶变换(FFT)，以计算频谱(谐波)分量的幅度和角度。随后在步骤77，把计算的频谱分量值存储在MMU的存储器51中。

随后，在步骤78和79，MMU 20关于前一周期，最后的128个样本从选项卡21获得数据，并把数据存储在存储器51中，如下更详细所述。

在步骤80，MMU 20把主母线1的所有存储的时间重合的电压和电流频谱分量幅度和角度值及选项卡21数据，与存储的电路配置聚合在一起。MMU 20执行主电路和所有分支电路的功率和波形计算。MMU 20执行的计算算出每个电路的实时读数、需求读数、电能读数和功率分析值。下面的表1是对于每个电路可得到的读数的列表。在步骤81，MMU 20存储每个电路的所有计算的结果。

表1

参见图5，每个CC 26包括8个电流输入95、一个电流取样和保持电路96、一个A-D转换器97、一个微处理器98和一个存储器99。

每个CC 26如图6的流程图中所示那样工作，以获取、操纵和传送电流数据。在步骤115，CC 26接收由MMU 20产生，并经背板22被传给CC的取样和保持电路96的控制信号脉冲。在步骤116，控制信号脉冲的上升沿在取样和保持电路96中启动来自电流输入95的时间重合的电流数据样本。A-D转换器97把被取样的模拟输入转换成数字信号，所述数字信号被发给CC的微处理器98。

单个CC 26具有标记为I1-I8的8个电流输入95，每个电流输入95接收电流变换器的输出。电流变换器测量与它耦接的分支供电导线的电流。一般来说，电流变换器包括变流器。CC 26分别处理每个输入，并且每个输入对应于MMU 20存储器51中的特定寄存器。

步骤117确定何时累积了一个周期的所有样本。在步骤118，CC的微处理器98对来自最后一个完整周期的被取样数据执行FFT，以计算被取样电流的频谱(谐波)分量的幅度和角度。由于MMU 20每个周期累积128个样本，因此按照Nyquist定理，CC 26对于每个输入计算总共64个频谱分量。通过在CC 26中计算分支电路电流的频谱分量，从MMU的微处理器50减轻了相当大的处理器负担。

在步骤119，比较每个频谱分量的幅度和阈值。与每个频谱分量比较的典型阈值是基频的幅度的5％。在步骤120，低于阈值的频谱分量把幅度设定为0，从而形成从零一直延伸到阈值的死区。

在步骤121，代表其幅度大于0的频谱分量的数据被传送给MMU20，并被存储在MMU的存储器51中。代表频谱分量的幅度和角度的数据可以采用直角坐标形式或极坐标形式。由于功率信号的大部分频谱内容在低次谐波中，因此形成死区可显著减少需要由MMU 20处理的数据的数量，从而减轻MMU 20中的处理器负担，因为MMU20不必计算零值。通过只传送代表其幅度大于0的频谱分量的数据，当向MMU 20传送数据时，能够节约沿着背板的带宽。如前所述，MMU 20把所有存储的时间重合的电压频谱分量值和电流频谱分量值与存储的电路配置聚合在一起。

图7a和7b描述对于一个周期，CC 26的单个输入的操作例子。被取样的波形示于图7a中。在这个例子中，每个周期，HDM 2仅仅在64个点取样，因此，计算32个频谱分量。CC处理器98执行FFT，并且每个谐波的幅度被计算并图示成基频的幅度的百分率，如图7b中所示。随后比较每个频谱分量的幅度和用图7b中的水平线T表示的为基频的5％的阈值。低于阈值T的频谱分量值被设为0。在图7b中的例子中，由于只有幅度大于0的频谱分量被传给MMU 20，因此只有6个频谱分量值被传给MMU 20。

返回图2，利用RS485电缆，经用户接口端口25，使包含显示器和数字小键盘的用户接口23与MMU 20连接。MMU 20控制用户接口23，按其最基本的形式，用户接口23允许用户监控电路，对HDM2编程，和测试单个电路的计费精度。允许用户设置另外的选项，比如报警、密码等的更多选项也是可能的。除了用户接口23以外，通过利用RS485电缆菊花链式地链接监听显示器24和用户接口23，HDM 2支持多个监听显示器24。对特定的分支电路设置单个监听显示器24，该显示器24显示所选分支电路的所有编程参数和计算值。在HDM 2的租户计量应用中，监听显示器24是理想的，允许租户远程监控向他或她的位置供电的分支电路，同时限制对HDM 2单元的访问。

为了一开始经用户接口23对HDM 2编程，用户设定由MMU 20监控的主母线1的参数，定义每个分支电路，并设定日期和时间。输入用户接口23的所有参数被存储在MMU存储器51中。

为了设定由MMU 20监控的主母线1的参数，用户选择主母线1的系统配置，并定义电压输入45和电流输入46。首先，用户通过从可用配置，比如三相四线Y形配置；三相四线△形配置等等中选择，选择主母线1的系统配置。随后，通过把每个输入分配给配电系统中的相并设定任意电压变换器的比率，用户定义所选配置的每个电压输入45。如果没有电压变换器，那么所述比率被设为1∶1。最后，用户定义每个电流输入46。每个电流输入46必须被分配给主母线1上它所监控的相，和测量该相的电流的电流变换器。通过输入电流变换器的特征信息，可进一步定义该电流变换器。当使用CT作为电流变换器时，所述特征信息一般至少包括变流器匝数比。

图8中的流程图描述如何操作用户接口23，以通过设定和把分支电路参数存储在MMU存储器51中，定义每个分支电路。当用户在步骤160进入定义分支电路的例程时，用户首先在步骤161中命名电路。随后，在步骤162，用户选择分支电路配置。用户从单相单线、单相三线、三相三线等中进行选择。结果，如果所有8个选项卡21都是CC 26，那么HDM 2能够监控64个单相单线电路、32个单相三线电路、16个三相三线或四线分支电路、或者分支电路配置的组合。

在步骤163-166，用户定义用于监控选择的分支电路配置的变换器。每次定义一个用于给定配置的变换器，直到定义了所有的变换器为止。为了定义变换器，用户通过选择与主母线1中的相同相相关的MMU电压输入45，在步骤163中选择被监控的相。随后，用户通过选择标记为OC1-OC8的选项卡21位置，和标记为I1-I8的对应CC电流输入95，在步骤164和165中识别变换器所连接到的输入。最后，在步骤166，用户定义对应的电流变换器的特征信息。在输入了变换器特征信息之后，在步骤167，HDM 2进行检查，以了解对于选择的分支电路配置，是否定义了所有的变换器。如果未完全定义该分支电路，那么用户随后通过重复从步骤163开始的处理，设定下一个变换器。当定义了整个分支电路时，用户随后在步骤160中定义另一个分支电路，或者返回设置菜单。

用户设定日期和时间，以完成HDM 2的编程。日期和时间由作为MMU 20中的处理器50的一部分存在的实时时钟53更新。时钟53主要用于使用时间计量和数据记录。

图9表示与具有多个分支电路的配电系统连接的HDM 2的一部分的例子。所示的这部分的HDM包含MMU 20和沿着背板22连接的单个CC 26。配电系统包含具有导线L1、L2、L3、N的主母线1，和三个分支电路，每个分支电路包含一种不同类型的负载。MMU 20与主母线1电耦接，以经线路180-183监控电压，及经线路184和185接收给电源52的电力。MMU 20还经线路186-189和电流变换器190-193与主母线1耦接，以监控电流。标记为I1-I8的CC电流输入95分别经线路194-201和电流变换器202-209与分支电路的不同导线耦接，以监控三个分支电路中的电流。

一旦HDM 2被编程并且在工作中，用户就操作用户接口23以监控各个电路。用户从主母线1或任意的定义分支电路中进行选择。当选择期望的电路时，用户查看所有编程的电路配置信息，以及电路的实时读数、需求读数、电能读数和功率分析值。

用户还操作用户接口23，以关于计费精度测试单个电路。当选择期望的电路时，如图2中所示，MMU 20以可用眼睛查看，从而核实HDM 2对于所选电路的精度的红外LED的形式提供测试点。

电源52是MMU 20的一部分，向HDM 2的所有其他组件供电。在图2中，电源52从电源头55接受100-230伏的交流(AC)或直流(DC)输入电压。电源52直接向MMU 20的所有集成电路组件54供电。该电源还能够经用户接口端口25向用户接口23和监听显示器24供电，和经背板22向选项卡21供电。沿着背板22分配以操作所有电气组件的标准电压包括12伏、5伏和3.3伏DC。

MMU 20利用经背板22的串行通信与选项卡21通信。背板22的使用允许容易地模块连接所有的选项卡21。背板22具有识别每个选项卡21的三条地址线，一条供选项卡21指示它准备好进行传送的“就绪”线，一条中断线，和一条控制信号线。可利用诸如SPI，I²C，Uart之类的串行通信协议实施背板22。

当使HDM 2付诸使用时，MMU 20和CC 26工作以如上所述监控配电系统。MMU 20每个周期轮询每个选项卡21一次。当被MMU20轮询时，每个CC 26通过背板22把代表幅度高于阈值的频谱分量值的数据传给MMU 20，MMU把该值存储在其存储器51中。通过利用用户定义的分支电路参数、存储的分支电路的输入的频谱分量值和存储的为所有分支电路所共有的主母线的电压频谱电流值，MMU 20聚合每个分支电路的数据。还可对代表电流频谱分量的幅度和角度的数据执行反FFT，并把结果与来自MMU 20的最初存储的模拟样本和每个分支电路的数据聚合在一起。MMU 20计算和记录在上面的表1中列出的所有值。可以选项卡21的形式获得另外的数据记录模块，从而为增加的数据记录提供另外的存储器。

转向图2，MMU 20具有单个RS-485通信端口31。通信端口31利用行业标准Modbus协议，该协议允许HDM 2与建筑物管理软件面接口，用于远程显示或另外的处理。建筑物管理软件的例子包括

Tenant Metering Commercial Edition软件，System Manager软件或者

ION软件。通过使用高级通信卡27，可得到另外的通信端口。如图2中所示，标准的高级通信卡27包含以太网端口32和另一个RS-485端口33。借助各种通信端口，比如RS-232，调制解调器，蓝牙，Zigbee无线等等，可以获得另外的高级通信卡27。

如上所述，提供一种HDM 2的经济有效的方法，该方法消除了冗余的硬件，并且实现每个计量点的低成本。HDM 2在存储表征配电系统和所有变换器的数据的MMU 20中监控为配电系统所共有的电压。HDM 2在CC 26中监控分支电路中的电流。作为在MMU 20中产生的控制信号的结果，所有被监控的电压和电流被取样。CC 26确定频谱分量，并比较幅度和阈值。只有高于阈值的频谱分量值才被传给MMU 20，在MMU 20，这些频谱分量值和时间重合的电压频谱分量一起被存储。通过把分支电路电流频谱分量的处理分配给CC 26，减小了MMU 20中的处理器负担。通过在CC 26中比较频谱分量和阈值，并且只传送代表幅度高于阈值的频谱分量的数据，减小了背板带宽和处理器负担。

尽管举例说明和描述了本发明的特定实施例和应用，不过应该理解本发明并不局限于这里公开的确切结构和组成，根据前面的描述，各种修改、改变和变更可以是显而易见的，而不脱离在附加权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种监控AC配电系统的多个分支电路中的电功率的方法，包括：

利用主计量单元来监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电压；

利用从多个分支电路中的电流变换器接收多个电流输入的多个电流卡来监控多个分支电路的电流；

在AC功率信号的每个周期中，多次在主计量单元中对被监控电压取样并在电流卡中对被监控电流取样；

在电流卡中确定被取样电流的频谱分量的幅度和角度；

把代表至少所选频谱分量的所述幅度和角度的数据从电流卡发给主计量单元；和

把电压样本与代表至少所选频谱分量的幅度和角度的数据存储在主计量单元中。

2.按照权利要求1所述的方法，还包括

在主计量单元中确定被取样电压的频谱分量的幅度和角度；和

把代表电压频谱分量的所述幅度和角度的数据存储在主计量单元中。

3.按照权利要求2所述的方法，还包括

在主计量单元中存储表征配电系统的系统电压类型、电流变换器和分支电路配置的数据；和

在主计量单元中利用所述存储的特征数据以及存储的代表电压频谱分量和电流频谱分量的所述幅度和角度的数据来计算在每个分支电路中消耗的功率。

4.按照权利要求1所述的方法，其中，通过在电流卡中对被取样电流进行快速傅里叶变换来确定所述频谱分量幅度和角度。

5.按照权利要求1所述的方法，包括：

比较频谱分量幅度和与基频相关的预定值；和

确定哪些频谱分量幅度大于所述预定值。

6.按照权利要求5所述的方法，其中，只有代表幅度超过预定值的电流频谱分量的幅度和角度的数据才被发给主计量单元。

7.按照权利要求1所述的方法，其包括监控来自相同分支电路中的多个变换器的电流。

8.按照权利要求1所述的方法，其包括在所述主计量单元中产生代表将对监控的电压和电流取样的时间的控制信号，把所述控制信号传给所述电流卡，并响应所述控制信号实现对所述被监控电压和电流取样，以产生时间重合的样本。

9.按照权利要求1所述的方法，其中，单个电流卡对来自多个分支电路的电流取样。

10.按照权利要求9所述的方法，其中，其电流被所述单个电流卡取样的所述多个分支电路具有不同的电路配置。

11.按照权利要求1所述的方法，其中，公共背板耦接主计量单元和多个电流卡，和

单个机箱包含主计量单元、多个电流卡和公共背板。

12.按照权利要求11所述的方法，其中，数据经公共背板从电流卡发给主计量单元。

13.按照权利要求11所述的方法，其包括

在所述计量单元中产生代表将对被监控电压和电流取样的时间的控制信号；和

经公共背板把所述控制信号传给多个电流卡。

14.按照权利要求1所述的方法，其中，所述被监控电压和电流的取样产生时间重合的样本。

15.按照权利要求1所述的方法，其还包括：

利用主计量单元来监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电流；

在主计量单元中对为所述多个分支电路所共有的被监控电流取样；

在主计量单元中确定为所述多个分支电路所共有的被取样电流的频谱分量的幅度和角度；和

把代表为所述多个分支电路所共有的电流频谱分量的所述幅度和角度的数据存储在主计量单元中。

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