CN102105802B

CN102105802B - 变压器计量表及使用该变压器计量表的系统

Info

Publication number: CN102105802B
Application number: CN2008800245783A
Authority: CN
Inventors: 艾瑞克·德布达
Original assignee: Grede 2020 Co Ltd
Current assignee: Grede 2020 Co., Ltd.
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010533843A; AU2008278224A1; US20100007336A1; WO2009009878A1; CA2692864C; CA2692864A1; CN102105802A; AU2008278224B2; US20090066317A1; US7940039B2; KR20100023043A; JP5199358B2; US8461823B2

Abstract

本发明涉及用于记录变压器上的电压和电流的计量表。该装置的外壳具有体部和杆部，杆部在闭合位置和打开位置之间是可移动的，其中，在闭合位置，杆部紧靠体部，在打开位置，杆部离开体部而被定位。该装置包括电流传感器对，每一个电流传感器被分为两个相应的传感器部分，每一个传感器的一个部分形成在外壳的体部上，另一个相应的部分形成在外壳的杆部上。每一个传感器的部分被构建，以使得每一个电流传感器具有中心开口，所述中心开口被设定尺寸，以当外壳的杆部位于其第一位置时接收一个变压器的终端。电流传感器被设置在外壳上，使得计量表可以被安装在变压器的终端上，该装置还包括两个可以被贴附在变压器终端上的两个电压导线。仪表模块被包含在外壳中，并与电流传感器和电压导线耦合，仪表模块被调适并被配置为记录来自电流传感器和电压导线的电压和电流测量值，仪表模块包括用于处理电压和电流信号的信号处理模块，从而提供诸如电能和累计同相电流数据的其它信息。最后，该装置包括通信模块，其与仪表模块耦合，从而将电压和电流测量值以及得出的数据通信到远程用户。

Description

变压器计量表及使用该变压器计量表的系统

技术领域

本发明一般涉及变压器计量表，该变压器计量表记录来自变压器的电压和电流测量值以及其它数据并将其传输到远程用户。

发明背景

人们已经使用配电变压器计量表来监测配电变压器的状况，并测量耦合到配电变压器的负载所消耗的电能。传统上用来监测配电变压器的计量表是大体积的装置，其包括耦合到仪表模块的实芯或拼合芯(split core)的电流传感器。虽然实芯和拼合芯的电流传感器被用于可靠地测量电流，但是由于铁磁心的非线性特性、不正确的安装以及噪音，会导致它们容易有误差。因此，配电变压器的高度精确电流监测通常并不是一直都可行的。通常不需要不能以高精确水平准确测量电流的配电变压器计量表，特别是在只监测变压器的情况下。然而，如果从准确并精确的测量耦合到变压器的负载所使用的电能的角度来监测配电变压器，就需要经改进的计量表。特别是，当计量表用于测量并会计网络中的电能(功率)损耗的系统中，就需要精确度高得多的配电变压器计量表。进一步，需要能够被快速安装而不需要中断电源的配变压器计量表。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了用于精确测量配电变压器上的电压和电流以及其它数据的改进的计量表，该计量表易于安装并高度准确。该计量表包括具有体部和杆部的外壳，杆部被可移动地连接到体部，并在闭合的位置和打开位置之间可移动，其中，在闭合位置，杆部紧靠体部，在开口位置，杆部远离体部。计量表包括第一和第二电流传感器，其每一个都被分为两个相应的传感器部分，而每一个传感器的一个部分被形成在外壳的体部上，而每一个传感器的另一个相应的部分被形成在外壳的杆部上。配置第一和第二电流传感器的部分，使得第一和第二电流传感器的每一个具有中心开口，该中心开口被设定尺寸(dimensioned)，以当外壳的杆部在其第一位置时接收变压器的终端。第一和第二电流传感器也被置于外壳上，使得计量表可以被安装在变压器的终端上，其中，第一电流传感器接收变压器的一个终端，第二电流传感器接收变压器的另一个终端。计量表还包括可安装到变压器的X1和X3终端的第一和第二电压导线，以及与电流传感器和电压导线耦合的仪表模块，所述仪表模块被调适并被配置，以接收来自电流传感器和电压导线的电压和电流测量值。最后，计量表包括与仪表模块耦合的通信模块，从而将电压和电流测量值通信到远程用户。

根据本发明的另一方面，提供了一种改进的计量表，用于以高准确和精确度测量变压器上的电压和电流。计量表包括外壳和可安装于变压器的终端的第一和第二夹紧式(clamp-on)电流传感器。第一和第二电流传感器的每一个包括从中心开口辐射的第一和第二组平面线圈，平面线圈以中心开口的中心轴基本径向对称而被定位。每一个电流传感器中的线圈均为电互连，以将所述线圈的输出电压合并以及施加于电流传感器的输出终端。在第一和第二电路中的第一和第二组平面线圈分别电互连，将第一和第二线圈交错，第一电路和差分放大器上的正输入端耦合，而第二电路与差分放大器上的负输入端耦合。计量表还包括可安装于变压器终端的第一和第二电压导线，以及与电流传感器和电压导线耦合的仪表模块。仪表模块被调适并被配置为记录来自电流传感器和电压导线的电压和电流测量值。计量表还包括与仪表模块耦合的通信模块，从而将电压和电流测量值通信到远程用户。

根据本发明的另一方面，提供了测量变压器上的电压和电流的计量表，该计量表包括外壳，第一和第二夹紧式电流传感器以及第一和第二电压导线。该计量表还包括与电流传感器和电压导线耦合的仪表模块。仪表模块被调适并被配置为，在时间间隔内记录来自电流传感器和电压导线的电压和电流测量值。仪表模块进一步被配置为，通过以比电源系统60Hz的频率要高得多的抽样率对电流抽样，并将每一个值乘以纯正弦波形的相应值(所述正弦波形具有与电压波形相同的相位和频率，以及具有为1的均方根振幅)，再将乘积求和并除以抽样频率，从而记录累计同相位电流或AIPC测量值。该计量表还包括与仪表模块耦合的通信模块，以将电压测量值，电流测量值以及AIPC测量值通信给远程用户。

根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其用于使用如前面段落所描述的能够记录并传输AIPC测量值的计量表，从而监测配电网络。配电网络包括与至少一个馈线线路耦合的馈线变压器，该馈线路依次与多个配电变压器耦合，每一个配电变压器依次与负载耦合。网络中的每一个配电变压器和计量表耦合，该计量表能够记录前面段落限定的AIPC。该方法包括的步骤为：记录时间周期内的每一个配电变压器的AIPC，其中AIPC等于同相电流的积分，记录馈线电流计量表(电流通过该馈线电流计量表)的馈线AIPC，将每一个AIPC值乘以其相应的标称电压以确定每一个AIPC值的归一化有效电能(NAE)值，然后将从配电变压器得出的NAE值的总和与馈线NAE值相比较。

按照上面的观点，随着说明书的进行，本发明所涉及的其它优点对于本发明的技术人员将更加明显，在此参考形成说明书一部分的附图而对本发明进行描述，附图包括对本发明原理的优选典型实施例的描述。

附图说明

图1是根据本发明制作的变压器计量表的透视图，其安装在盘座式配电变压器上。

图2是根据本发明制作的变压器计量表的透视图，其处于闭合方位。

图3是根据本发明制作的变压器计量表的透视图，其处于打开方位。

图4是切去部分外壳的图2中的变压器计量表的透视图，示出了该计量表的部件的细节。

图5是切去部分外壳的图3中的变压器计量表的透视图，示出了该计量表的部件的细节。

图6是本发明的电流传感器部分的部分电路图，示出了PCB线圈部件是如何布置的。

图7是图6中的电流传感器的平面线圈部件的透视图，示出了PCB线圈部件是如何结合成双绞线的。

图8是切去部分平面线圈的图7中的PCB线圈部件的透视图，示出了这对绞合线是如何连接到支撑该平面线圈的PCB的细节。

图9示出了沿着垂直于PCB线圈平面的平面上的电流路径的线绘图，该PCB线圈没有被正确接线。

图10示出了沿着垂直于PCB线圈平面的平面上的电流路径的线绘图，该PCB线圈被正确接线。

图11是示出了根据本发明制作的变压器计量表的部件的示意图。

图12是示出了根据本发明制作的变压器计量表的示意图，该变压器计量表被耦合到与远程数据收集器相通信的配电变压器。

图13是本发明的系统的示意图。

图14是根据本发明制作的变压器计量表的仪表模块部分的电路示意图。

图15是用于构造本发明的电流传感器的柔性电路板的顶层迹线示意图。

图16是用于构造本发明的电流传感器的柔性电路板的底层迹线示意图。

图17是用于构建本发明的电流传感器的柔性电路板的透视图。

图18是示出了本发明的PCB线圈部件部分的可能的可替代布置的示意图。

图19是本发明的系统的替代实施例的示意图。

图20是用于构造本发明的电流传感器的可替代柔性电路板的顶层迹线示意图。

图21是用于构造本发明的电流传感器的可替代柔性电路板的底层迹线示意图。

图22是用于构造本发明的电流传感器的可替代柔性电路板的轮廓的俯视图。

图23是用于构造本发明的电流传感器的具有加强刚性板的可替代柔性电路的透视图。

图24是用于构造本发明的电流传感器的具有加强刚性板的可替代柔性电路的平面图。

图25是用于构造本发明的电流传感器的具有加强刚性板的可替代柔性电路的侧视图。

图26是用于构造本发明的电流传感器的具有加强刚性板的可替代柔性电路的透视图，其线圈以所需的环形方式而布置。

图27是本发明的可替代实施例的透视图，其中，外壳是为极柱式变压器而设计。

图28是本发明的可替代实施例的平面图，其中，外壳是为极柱式变压器而设计。

图29是本发明的可替代实施例的透视图，示出了其如何安装到极柱式变压器上。

在图中，相同的参考标号在各个附图中表示相同的部分。

具体实施方式

首先参考图1，本发明的一部分包括有改进的配电变压器计量表(一般被标记为10)，其被配置为安装到配电变压器16的终端12和14，并进一步被配置为记录来自变压器的电压、电流、温度、电能和AIPC测量值并将这些测量值通信到远程用户(未示出)。变压器16是配电变压器，其可以是图1示出的盘座式变压器也可以是图29示出的极柱式变压器。本发明很适合用于盘座式配电变压器，但也可以被修改以用于极柱式变压器。盘座式配电变压器16具有代表终端X1和X3的终端12和14，以及中性(X2)终端18。在变压器16上提供有盖20，以保护终端不受元件的妨碍。

现在参考图11，变压器计量表10包括一对电流传感器22和24，电压导线26和28，耦合到电流传感器和电压导线的仪表模块30，以及耦合到仪表模块的通信模块32。电压导线26和28耦合到CC级保险丝(class CC fuses)保险丝27和29，从而提供针对电力故障的保护。导线26和28可以电耦合到配电变压器的次级(secondary)终端14和12(X1和X3终端)。该计量表可以选择性的包括可以耦合到中性终端18的第三电导线34。如果不存在第三导线，就只需要保险丝27和29中的一个。在本发明的优选实施例中，电流传感器22和24以及模块30和32可以被包含在示意性的在图11中示出的外壳36中。电流传感器24和22优选为“夹紧”型电流传感器，其可以被夹紧到变压器的终端上，而不需要拆卸任何连接到终端12和14的电缆(未示出)或不中断服务。目前在市场可以买到可以用于本发明的几种“夹紧”型电流传感器；然而，如后面将更特别的解释，电流传感器22和24优选修改为无芯电流传感器，其类似授权给de Buda的美国专利6,965,225号中所公开的传感器，该专利的整体在此作为参考被引入本申请。

如果使用常规的铁芯电流传感器，则仪表模块包括用于电流传感器的负荷电阻。否则，如果使用上述无芯电流传感器，仪表模块则改为具有特定的积分器。该仪表模块还包括用于测量来自导线的电压的电阻分压器和用于处理电压和电流输入信号所需的电子电路。对于每个时间周期，该仪表模块测量最大电压、最小电压、最大电流、供给于负载的总电能以及供给于负载的积分同相电流(或是已知被称为累计同相电流或AIPC)。AIPC的测量值与同相电流的积分相等，其中，同相电流是与电压具有相同相位的电流的分量。因此，除了供给负载的全部电能，计量表还可以测量供给负载的全部AIPC。仪表功能已经能够由集成芯片处理，例如图14示出的Analog Devices生产的ADE7753，其示出了仪表模块是如何构建的。在优选实施例中，如果ADE7753的电压输入是具有均方根振幅为1并且相位和频率与实际电压波形相同的纯正弦波形，就可以获得更高的准确度。如图14所示，如果将实际电压波形提供给ADE7753，那么就需要软件通过将抽样的增量电能除以测量电压来纠正实际电压波形。

参考图14，US为可编程计算机，其包括CPU、闪存以及通信接口。连接器J7和J8与电流传感器耦合，而电压导线与连接器J1耦合。可选择的用于测量变压器的温度的温度传感器(未示出)可以与连接器J6连接。连接器J4为编程U2提供了串行端口，连接器J5与通信模块耦合。将存储在U2中的数据传送给通信模块，通信模块将数据传输给远程数据收集器(未示出)。已经可以从市场买到用于通信模块的几种适合的器件，包括电话线调制解调器、便携式电话装置，无线LAN装置及其类似装置。优选地，通信模块包括电力线载波通信模块，其将数据经与变压器自身耦合的电力线传输到远程数据收集器。这种电力线载波通信装置在授权给de Buda的美国专利6,549,120中被公开，该专利的整体在此作为参考被引入本申请。电压导线作为电力线载波的信号路径。此外，电压导线允许得到电压测量值并且还供电给单元，从而使单元在不需要电池的情况下工作。

将仪表模块编程，从而在给定的时间间隔内测量并记录跨过变压器的电压和通过变压器的电流。该仪表模块测量电压和电流并不断将电压和电流相乘从而计算功率。仪表模块计算传输通过变压器的全部电能，该全部电能等于平均功率乘以用于记录的编程时间周期的长度。该时间周期可以为任何时间周期，但通常为15分钟，30分钟或一个小时。除了这些记录，仪表模块将记录时间周期内测量到的最大和最小电压，以及时间周期内测量的最大电流。进一步，将仪表模块编程以计算时间周期内的AIPC测量值，其等于同相电流的积分。在每个时间周期结束后，计量表将信息包发送给远程用户，信息包包括该时间周期过程中记录的最大和最小电压，最大电流，传输的全部电能以及该时间周期的总AIPC。现在参考图2，计量表10的部件优选被包含在外壳36内，外壳36包括体部38和杆部40，杆部40在接合处46被可移动地安装到体部38。杆部40在闭合位置和打开位置之间可移动，闭合位置如图2所示，其中部分40紧靠部分38，打开位置如图3所示，其中部分40远离体部38而被定位。电流传感器22和24围绕着孔42和44而形成在体部38和杆部40上。形状为夹子的电导线26和28分别邻近孔42和44而被定位。从图3可以更好的看出，电流传感器22和24的每一个的形式分别为两个小部分22A，22B和24A，24B。小部分22A和24A被包含在体部38中，小部分22B和24B被包含在杆部40中。同样，孔42和44的一部分形成在杆部40和体部38上。孔42和44被设定尺寸，以分别接收配电变压器的终端12和14(见图1)。电流传感器22和24被定位成相互邻近并间隔开，使得简单地通过将电流传感器定位于终端上然后关闭外壳，就能直接将传感器安装到配电变压器的终端12和14。

现在参考图4，电流传感器22和24的每一个优选包括由多个平面线圈印刷线路板(PCB)48组成的无芯电流传感器，其被设置为自孔42和44的辐射图案。PCB线圈被优选定位为以每一个孔的中心轴基本径向对称。PCB线圈从孔辐射，使得它们以角度间隔的平面而排列，这些平面相对于开口的中心轴在基本轴向和径向的方向被定向，或者，它们相对于这些平面以相同的倾斜度倾斜。图18示出了关于中心开口的PCB线圈的3种可能的定向。在每一个例子中，PCB线圈115、117和119分别围绕着中心开口113、120和122而对称布置。还可能有许多其它的定向，只要满足以下条件：PCB线圈相对于中心开口被定向，从而允许线圈从通过中心开口的电缆(未示出)接收信号，并且PCB线圈基本径向对称。返回参考图4，每一个电流传感器中的PCB线圈均为电互连，使得PCB线圈的输出电压被合并以及被施加到传感器的输出终端(未示出)。如同传感器小部分24A和24B一样，电流传感器小部分22B和22A的每一个具有多个PCB线圈。优选的，传感器小部分22A，22B和传感器小部分24A，24B的每一个具有相同数量的PCB线圈。从图5可以更好的看出，当杆部40旋转离开体部38，传感器小部分22A，22B，和24A，24B相互分开，从而允许孔42和44打开。以如图5所示的打开孔，通过简单的定位计量表而使得变压器终端(未示出)穿过孔42和44，就可以简单地将变压器计量表10安装到配电变压器的终端上。使用闭锁件50保持外壳的两部分被闭合在一起。可以使用任何数量的闭锁型装置来将外壳的两个部分保持在一起，而所示出的实施例使用永磁铁52和54来将两部分保持在一起。

返回参考图4，每一个电流传感器具有两组PCB线圈56和58。如图6中示意性地示出的，在电路60和62中的PCB线圈组56和58分别电互连。PCB线圈组56和58被交错，从而使得PCB线圈组56邻近PCB线圈组58。电路60被耦合到差分放大器64的正输入端63，而电路62被耦合到同一差分放大器的负输入端65。这种PCB线圈的设置减小了静电接收导致的任何误差。

现在参考图7和8，多个PCB线圈48可以使用双绞导线66进行接线。该双绞导线将穿过PCB线圈中的中心开口68，并且导线70和72被耦合到PCB线圈上以形成电路。可以理解的是：当导线70和72被耦合到PCB线圈，它们能够形成可以无意地接收寄生信号的正交环。如果PCB线圈被不恰当地接线，正交环的宽度则等于PCB的厚度，其对于接收寄生信号来说可能是足够大的，因而降低电流传感器的准确度。为了将可能由正交环的存在所引起的误差最小化，PCB线圈48应该如图8所示接线。图9示出了电流通过没有进行恰当接线的PCB线圈形成的正交环，而图10示出了电流通过恰当接线的PCB线圈。可以看出，如果PCB线圈被恰当地接线，正交环的面积要小得多。

为了减小正交环诱发的信号误差的可能性，并降低组装电流传感器的成本，可以使用具有多个形成在其上的线圈的单个长形的柔性印刷电路，而不是多个单个刚性PCB线圈来建造电流传感器。这种电流传感器的一个实施例以标号74在图17中示意性地示出。电流传感器74由具有在其上形成的第一组线圈78和第二组线圈80的长形的柔性印刷电路76组成。线圈78和80如前面的例子中交错。必须地，将长形的柔性印刷电路76卷曲，以形成基本为星形图案的多个面板，其中包含线圈78和80的面板由没有形成线圈的空白面板82分开。空白面板82载有分别与线圈80和78形成电路的导体84和86。如同样在图15和16所示的，线圈78和80在不同的电路上，并与导体86和84分别耦合。因为柔性印刷电路要薄得多，正交环的最大宽度必然小得多。进一步，图15和16使用的迹线图案确保了形成在相邻线圈上的正交环相互成大约180°；因此，正交环的存在所引起的电压误差将趋于消除，从而使得总误差变小。

图17中所示的电流传感器虽然经济但不理想，因为柔性印刷电路使得难以精确定位线圈，并且印刷线路板的柔软性会引起线圈被扭曲，使得线圈不完全在同一平面内。通过使用多个加强刚性板而将线圈保持在正确的方位可以纠正该问题。这种电流传感器如图26所示。图26中示出的标号为250的装置为这种电流传感器的替代实施例，其同样由柔性印刷电路210制成，但具有多个加强刚性板216，以帮助将线圈16精确地排列到理想的方位。从图20-22中可以看得最清楚，线圈212、213、214和215被形成在印刷电路210中，就如同在上面的电流传感器74(见图17)中一样。这些线圈由印刷电路210中的间隙228分开，在成品传感器中需要印刷电路210中的间隙228将这些线圈相对适当的间隔开。印刷电路210具有由连接带222连接在一起的上“臂”部分218和下“臂”部分220。印刷电路210的第二层同样具有形成在其中的线圈224，225，226和227，这些线圈同样由柔性印刷电路中的间隙228分开。孔230被形成在印刷线路板中，大约处于线圈的中心位置。在成品传感器中，孔230用于使线圈定位。

从图23，24和25中可以看出，将多个加强刚性板216安装在印刷电路210上，间隙228将加强板分开。加强板216确保线圈保持刚性并在平面上。优选地，线圈夹在板216之间，以确保它们保持在正确的方位。从图26中可以看出，传感器通过将板216定位在所示的正确方位而简单组装。间隙228确保夹在板216之间的线圈可以被正确定向。

现在参考图12，配电变压器计量表10与配电变压器16的终端12，14和18耦合，终端12，14和18依次与高压馈线线路88耦合。馈电线依次与可以是数千米以外的配电变压器90耦合。当然如果DTM10具有电力线通信模块，则耦合到配电变压器90的终端94的是电力线通信模块92，其被调适并被配置为从DTM10接收信号。将模块92配置为不但从DTM10接收数据包，而且还传输可由DTM10接收的时间同步信号。DTM10从模块92接收到时间同步信号后，就开始测量并记录来自配电变压器16的电流和电压信息，并在每个时间周期后将数据包传送给模块92。适合于作为模块92的适合的电力线通信模块，公开在先前提到的授权给de Buda的美国专利6,549,120号中。

为了便于本发明适用于极柱式变压器，可以修改DTM外壳，从而使DTM直接安装在极柱式变压器上。可以被配置为用于极柱式变压器的根据本发明制作的DTM，在图27，28和29中用标号300表示。从图27可以看出，DTM300的弓形外壳310具有凹侧面311和分别具有通道316和318的孔312和314。外壳310也具有邻近凹侧面311的安装构件320。现在参考图28，DTM300具有分别位于孔312和314的绝缘冲孔连接器322和324。如前面的DTM的实施例，DTM300具有由多个线圈330和332组成的电流传感器326和328。亦如前面的实施例，DTM300具有仪表模块334，其被耦合到电流传感器326和328以及被耦合到绝缘冲孔连接器322和324，并且DTM300具有被耦合到仪表模块的通信模块336。电流传感器，仪表模块，和通信模块可以与前面DTM的实施例中的完全相同。从图29中可以看得最清楚，DTM300的孔312和314被配置为接收极柱式变压器342的导线338和340。DTM300可以借助包围着安装构件320的带状物344而被紧固在变压器342上。

本发明的DTM特别适合作为部件，用于使用累计同相电流(AIPC)会计(accounting)来探测功率窃取的改进的系统中。因为涉及的用户数量少，能量会计作为检测电力盗取的方法在配电变压器级可以非常的有效。线路损耗引起的误差可能是0.5％到3％，并且用户的数量可能不超过10个。在这种情况下，线路电能损耗的总量将不超过单个用户用量的一小部分，那么，可能的与电力盗取有关的损耗，其所占的量就更小。

在馈线级，情况就不同了，因为涉及更多的客户。在此，线路电能损耗可能会高于单个客户用量的很多倍。因此，探测窃取将更难，方法的敏感性和可靠性特别依赖于电能会计处理的准确性。

可以通过估计线路损耗并补偿其来获得电能会计处理的准确度的改进，但有一个严重的概念问题会限制由此带来的好处。问题是，线路损耗与电流级的平方成正比，从而随着负载而变化，并且这还没有考虑由线路电阻随着温度而变化而导致变化的损耗的情况。这使得难以充分准确的知道这些损耗。

例如，如果馈线为由居住用户组成的稳定不变的负载提供100安培，，线路损耗可以达到1％。然而，如果在测量间隔过程中，负载变化，使得一半时间负载是200安培，剩下的时间负载为零，结果是线路损耗在测量周期的过程中加倍。线路损耗为2％，而不是1％。由于变化发生在测量间隔内，其不能从计量表数据中探测到。

对于具有1000个客户的馈线，线路损耗从1％到2％的变化，代表了到客户的电能流减小，该变化等于平均客户负载的十倍。

有几种方法解决该问题。可以通过减少测量间隔来减小误差，但是其增高了必须被传输并被处理的数据总量，并且起并没有全部解决问题。可以试图依赖统计求平均数，但是这种方法仅在大多数时间内可行。因而只能在敏感度和防止错误报警之间权衡。如果将阈值设定得太低，将有过多的错误报警。如果将阈值设定的太高，不能探测到实际的窃取。在这两个水平之间有一个阈值范围，这个范围内的阙值会引起过多的错误报警而且不能探测实际的窃取。

因而，作为窃取探测方法的电能会计，具有与所使用的仪表准确度无关的固有误差源。即使馈线计量表，配电变压器计量表，以及客户计量表完全没有误差，该方法仍有将限制其敏感度的主要误差源，因而能够探测窃电。

一种替代的方法是使用累计同相电流(AIPC)，其不具有该误差源。AIPC只是没有电压成分的电能，因此将电压项从等式中去除。因为线路的损耗特征是电压损耗而不是电流损耗，所以该方法实际上不受线路损耗结果的影响。这意味着可以获得更高水平的总准确度，其代表了更高的敏感度，从而代表更高的检测盗取的能力，其主要被计量器的准确性所限制。因此，AIPC提供了比使用电能损耗(kWh)更好的窃取探测的测量手段。

在馈线计量表(FMs)，配电变压器计量表(DTMs)和客户计量表(CMs)系统中，AIPC由于其不依赖于变化的线路损耗而提供了探测窃取的最佳手段。该概念的一个难点是CMs一般不提供AIPC数据，当然，AIPC不能和kWh对比。然而，如果使用DTMs，可以将它们编程以提供AIPC和kWh。kWh可以用于在DTMs和CMs之间协调(当涉及的客户数量少)，而AIPC可以用于在FMs和DTMs之间协调(当涉及的客户数量多)。

在特定的条件下，诸如每一个变压器只有一个客户的的乡村地区，可以考虑不配置DTMs。在这种情况下，客户计量表可以具有传输电能消耗读数和累计同相电流读数的能力。电能消耗读数可以用于开账单，而AIPC读数可以与馈线电流计量表读数一起，以比使用电能损耗数据所可能的更高的敏感度和可靠性，来探测窃取。

最准确的方法，以及对于窃取最敏感并产生错误报警可能性最小的方法，需要为CMs增加真正的(true)AIPC功能。这样带来的问题是计量表制造者为了实施此功能而所需要进行开发的总量。然而，人们使用计量表中已有的功能可以获得接近的近似。CMs除了每一个小时周期传输累计kWh，也传输最大电压和最小电压。可以通过该数据确定如下的最大可能AIPC和最小可能AIPC：

最大AIPC＝kWh/最小电压

最小AIPC＝kWHh/最大电压

对比馈线级的AIPC和变压器次级的AIPC，需要说明初级电压除以次级电压的变压器变压系数。完成其的简单方法是通过AIPC乘以标称电压将AIPC转换为归一化有效电能或NAE。按照以下方法完成：

NAE＝归一化有效电能＝AIPC×标称电压

如果馈线电流计量表NAE减去误差容限大于CMs的NAE读数总和，窃取报警就被触发。按照探测所需的最小窃取负载，对于每个小时周期的该技术的敏感度可以由如下估计：

最小可探测窃取负载＝电压×(最大AIPC-最小AIPC)+误差容限

该技术在电压不变的周期过程中具有最高的敏感度，在电压变化的周期过程中，错误报警仍被最小化。由于目标窃取负载本质上基于负载，在高度敏感周期的过程中，它们应该已经可探测。进一步，在任何一个小时测量周期过程中，可以通过将小时简单的进一步分为5分钟测量间隔来实质地提高敏感度。然后敏感度将被发生在5分钟的过程中的电压变化量限制。这在任何正常的情况下很可能是小的，从而通常有可能使用这种技术在全部时间内保持高敏感度。

基于RMS电流的馈线电流计量表窃取探测

由于任何窃取探测系统的敏感度与客户的数量成反比变化，在馈线上使用多个FCMs是有好处的，使得每个FCM(馈线电流计量表)覆盖该馈线上的客户的不同子集。这只在馈线支路为不同的段时有效。在这种情况下，不同的馈线计量表可以安装在每一个支路上。在可以完成其的情况下，仍存在的问题是：从子站到第一支路(或客户)的馈线需要被保护，并且该馈线上的客户数量仍不能被再分。馈线的该段可以由两个FCMs保护，一个在子站，而一个恰在第一客户之前，两个都测量RMS(均方根)电流。RMS电流比kWh或甚至AIPC更为准确地被测量，因为对于测量处理只需要一个输入数据。准确度可以通过同时校准两个完全相同的FCM而被进一步提高，因此给予了该馈线段不受窃取的最佳可能保护。

具有kWh功能的馈线电流计量表

标准馈线电流计量表不具有贯通高压的连接，但需要高压信息来计算kWh。标准的方法需要使用屏蔽电阻分压器或电位变压器(potential transformer)，每种方法具有其独特的优点和缺点。两种方法可以提供较高的准确度，当对准确性有要求时，这两种方法是昂贵且不方便的。替代的方法是测量目前的配电变压器的次级电压并乘以匝数比。

该方法需要由夹紧到靠近馈线电流计量表(FCM)的位置的配电变压器的装置执行。该装置将测量电压和电流并将它们结合以产生初级侧的电压数据。该数据将经过近距离无线电设备而被不断地实时传输到用于提供kWh数据的FCM。

这种方法有两个主要的误差源。第一个是匝数比的准确度，第二个是由于变压器被负载，而引起的电压下降。

如果变压器符合CSA规范，匝数比(铭牌上的高压/低压比率)在+/-0.5％之内。同样，铭牌上示出的变压器阻抗(典型为1％到3％)的准确为+/-5％。因此可以测量负载电流并使用该数据来补偿变压器引起的压降。假设电压和电流的测量值的仪表误差为0.15％，那么对于具有3％阻抗的变压器的总体最差情况的高压测量误差为：

3％×5％+0.15％+0.5％+0.15％≈1％

这个等级的准确性仅在涉及小数量的用户的情况下是适用的，这可能是基于kWh的任何窃取检测系统的真实情况。提供具有kWh功能(capability)的馈线电流计量表需要额外的花费以及具有其他缺陷，但是，其仅实现了窃取检测系统，而该窃取检测系统在数学意义却上不如基于AIPC的窃取检测系统。如果使用AIPC作为替代，将会有更强的检测窃取的能力，并且会有更强的减少错误警报的能力，而且馈线电流计量表将不需要任何昂贵的电压测量仪器。

还具有其它优点。由于不需要馈线电流计量表测量电压，所以其可以为更小，更轻并且更安全的装置。由于不需要跨接任何高电压，就不需要任何高电压保险丝。这减少了装置的尺寸和重量。作为轻重量的装置，其可以直接夹紧到馈线上，而不需要其它装置来支撑其重量。因此，可以更快地部署，并且安装装置的位置更加灵活。最后，该装置的安全性是固有的。不像其它跨接高电压的装置，该装置完全消除了在保险丝盒周围的内部打火的风险，因此消除了在安装过程中爆炸的危险。

什么是AIPC(累计同相电流)

AIPC只是没有电压成份的电能。

电能＝∫Pdt＝∫V*I dt＝电压乘以实际(非无功)电流的累计

AIPC＝∫Idt其中，I＝实际电流＝非无功电流的累计

电能是以kWh测量，而AIPC是以Ah测量。

如果我们有供给稳定不变的负载100安培的7.2kV馈线(相对地)，从子站到客户的馈线线路具有0.72欧姆，那么在该线路长度上的电压降低将为72伏特。如果在子站的电压为7200伏特，那么在客户的电压将为7200-72＝7128伏特。在子站登记的一个小时周期的电能为7.2×100＝720kWh。在负载处，计量的电能将为7.128×100＝712.8kWh。在这种情况下，由于线路损耗，电能的((720-712.8)/720)×100％＝1％被损耗。

在下一个小时间隔，子站在第一个30分钟过程中将提供200安培，而在剩下的间隔不供给电流。在第一个30分钟过程中，从而也是在整个一个小时的期间内，200×7.2×30/60＝720kWh被登记在子站。然而，在负载下，由于其与电流成正比，电压成倍下降，第一30分钟的客户电压为7200-(200×0.72)＝7056伏特，随后的30分钟的客户电压为7200伏特。那么，第一个30分钟内，从而也是在整个一个小时的期间内，在客户处被计量的电能为7056×200×30/60＝705.6kWh，。在这种情况下，线路损耗引起的电能损耗为((720-705.6)/720)×100％＝2％。

由于在两种情况下，在子站登记了相同的电能(720kWh)，该测量值不能被用于预测线路损耗的电能的量。基于相同的理由，在客户处的伏特-小时也没有用处。在这两种情况中，在客户处为7128伏特-小时，而在第二个例子中却少了7.2kWh。因此，企图通过将瓦特-小时除以伏特-小时来估算AIPC，将遇到引起线路损耗变化的负载所产生的同样的数学误差。

如果使用真AIPC，那么在两种情况下，100Ah将被登记在子站和客户处(除非有窃取)。如果不能提供AIPC，那么接下来最好使用最大电压和最小电压来计算最小AIPC以及最大AIPC。

可以理解的是，可以在如上所述的基于AIPC的监测并会计电消耗的系统的中使用根据本发明制作的变压器计量表。本发明的系统在图13中以标号110示意性地被示出，其由多个配电变压器16组成，每一个配电变压器16与根据本发明制作的配电变压器计量表10耦合。每一个配电变压器16被耦合至负载96(例如几个住宅电力用户)以及耦合至高压馈线线路88。高压馈线线路88依次与变压站变压器100耦合。配电变压器90也与馈线线路88耦合，数据收集器依次与配电变压器90耦合。每一个配电变压器计量表10记录其相应的负载96在给定时间周期中使用的AIPC，并将该信息发送到数据收集器92。子站变压器98与馈线电流计量表101a耦合，就像变压器计量表10一样，馈线电流计量表101a被配置为计算并记录给定时间周期的AIPC。馈线电流计量表101进一步被配置为优选经过电力线通信信号，将AIPC测量值传送给数据收集器92。变压器计量表10被配置为优选经过电力线通信将其AIPC测量值传输给数据收集器92。数据收集器92然后将这些AIPC测量值传送给中心计算机112，中心计算机112不需要靠近数据收集器92，并也可以和其它数据收集器连接。每个计量表10随着其AIPC测量值一起发送特有的鉴别码；因此，服务器112可以比较每个计量表10接收的AIPC测量值；并将它们与在同一时间周期来自馈线电流计量表101a的AIPC测量值作对比。这种对比首先由将AIPC转换成归一化的有效电能或(NAE)来完成。NAE只是将AIPC和标称电压相乘。对于变压器计量表10，标称电压典型为240V。如果变压器的变压比率为30，对于馈线电流计量表，标称电压例如为7200V。在测量误差的合理容限内，对于同一时间周期，从计量表10得出的总NAE应该与从馈线电流计量表10记录的测量值得出的NAE相等。如果总NAE之间有明显的差别，那么这一定意味着有未知的负载附加到馈线上。操作服务器112的电站然后可以探查出额外的负载。

该电流会计系统具有几个优点。首先，只在馈线电流计量表101a处测量AIPC的装置不需要高电压操作。基于此原因，馈线88的AIPC计量要比电能计量安全得多并便宜得多。此外，就像下面将要进行讨论的：经过电流会计而监测网络的本系统，使探测从馈线的直接窃电成为可能，该窃电在未经许可地将配电变压器直接耦合至高电压馈电线的情况下发生。

DTM被配置从而探测两种不同的窃电。第一种是从电站所有的配电变压器窃电。DTM与安装在末端用户的电计量表结合来完成该功能。变压器的电消耗一定与末端用户的电消耗的总和基本相等。然而，为了做这种对比，电站必须知道哪些末端用户连接到哪些配电变压器。该信息可以使用关系图而收集。这涉及二维图像或图的生成(可以在纸面上或以电子形式显示在电脑显示器上)，其以代表性的形式示出了配电变压器、末端用户和它们之间的相互连接。制作这些关系图涉及到很大量的工作，不仅要首先生成它们，而且当电力系统作改变时，要保持其更新。甚至当这些关系图已经产生并被更新时，仍需要一些工作来对这些关系图进行说明，从而生成用于检查未经批准的电力使用的公式。

现在参考图13，根据本发明制作的DTM(标号10)消除了产生这些关系图的需要。通过在末端用户处测量来自计量表96a的AMR信号长度，并将其与阈值作对比，DTM可以确定哪个AMR信号源自其所安装处的变压器的次级电路。该信息可以被存储在DTM中的电子内存中并根据请求被中继到数据收集器92。因此，数据收集器不仅具有配电变压器提供的电能以及末端用户96消耗的电能，而且具有哪个末端用户与哪个配电变压器连接的信息。

现在参考图19，直接从馈线的窃取，由在高压馈线上未经批准而安装非电站所有的配电变压器来完成。电站不需要知道这种变压器的存在，并且当然没有安装在其上的任何DTM。因此，对比电站所有的配电变压器供给的能量和末端用户消耗的能量，不能探测这种电窃取。为了探测这种窃取，DTM可以用于结合串联的馈线计量表(FM1，FM2，FM3等)。根据目前本领域的水平，馈线计量表测量馈线供给的电能。这需要将电压和电流相乘，以确定功率，并将时间周期内的功率积分以确定电能。窃取可以通过对比馈线供给的电能与该馈线上的配电变压器供给的电能而被探测。该方法的主要缺点是，馈线计量表必须为高压操作进行设计并构造。高压装置是昂贵的并且基于设计对安装是有危险的。进一步，由于电流流动和线路电阻，电压下降发生在每根馈线上，这些电压下降是对比中的测量误差源。增加的测量误差意味着给定数量的配电变压器需要更多的馈线计量表，从而区分测量误差和窃取。

一种可替代的馈线计量表，其用于与DTM结合的馈线电流计量表只测量同相电流，并将该电流在时间周期(例如一个小时)内积分，从而确定AIPC。如果DTM和馈线电流计量表提供AIPC测量值，它们可以被转换成NAE并作对比(电能和AIPC不可以作对比)从而探测来自馈线的窃取。为了提供该功能，并保持探测来自电站所有的配电变压器的窃取的能力，根据本发明的DTM可以被编程从而提供两种测量值：配电变压器供给的电能和相同的变压器供给的AIPC。

图19示出了许多馈线电流计量表(FM1，FM2和FM3)，配电变压器(DT)，以及末端用户(EU)。正如需要知道哪个末端用户与哪个配电变压器连接一样，也需要知道哪个配电变压器与哪个馈线电流计量表关联，以及如何关联。从图19可以看出，这里的馈线级条件更复杂。最简单的馈线电流计量表拓扑结构是：单一的馈线电流表监测整个馈线，并且其NAE值与所有配电变压器的NAE值作对比，然而，准确度的限制会导致总测量误差比窃取量要大，这种情况探测不到窃取。因此，沿着馈线及其支线就将需要具有多于一个的馈线电流计量表。然后配电变压器不与任何一个馈线计量表关联。而与两个馈线计量表之间的馈线段关联。两个馈线计量表的NAE测量值之间的差应该基本等于，这两个馈线计量表之间的馈线段上的电站所有的配电变压器的DTM NAE测量值的总和。

为了在馈线计量表测量值和DTM测量值之间进行对比，需要知道馈线计量表在馈线上的位置和到配电变压器的连接在馈电线上的位置。该信息可以从关系图中收集。这涉及两个二维图像或图的生成，其以代表形式示出了配电变压器、馈线计量表和相互连接。如前面描述的，生成这种关系图涉及相当大量的工作，不仅要初始产生它们，而且当电力系统作改变时，要保持其更新。甚至当这些关系图已经产生并被更新时，仍需要一些工作来说明关系图，从而生成用于探测未经批准的电力使用的公式。

根据本发明的DTM消除了产生这种关系图的需要，但涉及馈线计量表时，用于获得需要的信息的过程不同。该过程开始是数据收集器经电力线载波通信，将载波复制指令发送给馈线上的所有馈线计量表。这种指令之后，在固定长度的时间内发送纯载波。然后馈线计量表使用电感耦合，接连地将频率和相位基本完全相同的复制载波传输给馈线。馈线计量表电力线载波变送器使用的电感耦合，造成来自馈线计量表的在一个方向上输送的信号与在另一个方向上输送的信号，相位相差180度。因此，这些信号被划分为正信号和负信号。无论它们接收正信号还是负信号，馈线上的所有DTM为每一个馈线计量表记录。该信息按请求被中继到数据收集器，因此数据收集器不仅具有来自所有馈线计量表和DTM的AIPC(或电能或两者)测量值，也具有作对比所需的所有信息，该对比用于窃取的探测，因此消除了做任何关系图的需要。

从图19，我们可以看到其是如何工作的。被连接到馈线电流计量表FM2和馈线电流计量表F3之间的馈线段的所有DTM，将接收来自馈线电流计量表FM2的正信号，以及来自馈线电流计量表FM3的负信号。在馈线计量表FM3的另一侧的所有DTM，将接收来自两个馈线计量表的正信号，而在馈线计量表FM2的另一侧的所有DTM，将接收来自两个馈线计量表的负信号。因此，接收来自馈线电流计量表FM2的正信号以及来自馈线电流计量表FM3的负信号的所有DTM的NAE测量值的总和，应该基本等于馈线计量表FM2的NAE测量值减去馈线计量表FM3的NAE测量值。

本发明的配电变压器计量表相对于现有技术也具有几个优点。首先，其具有独特的结构，安装更加安全和容易。进一步，改进的电流传感器比现有的电流传感器准确得多，因而允许准确的测量并记录积分的电流。

已经公开了本发明的具体实施例；然而，在本发明的范围内，可以预见公开的实施例的几种变体。应理解的是，本发明不限于上面描述的实施例，而是包括了在权利要求的范围内的任何和所有实施例。

Claims

1.一种用于测量配电变压器的电压和电流的计量表，所述计量表包括：

外壳，其具有体部和杆部，所述杆部被可移动地安装在所述体部上，并在闭合位置和打开位置之间可移动，其中，在所述闭合位置，所述杆部紧靠所述体部，在所述打开位置，所述杆部离开所述体部而被定位；

第一和第二电流传感器，其每一个被分为两个相应的传感器部分，其中，每一个电流传感器的一个部分被形成在所述外壳的体部上，而每一个电流传感器的另一个相应的部分被形成在所述外壳的杆部上，将所述第一和第二电流传感器的所述两个相应的传感器部分配置，使得当所述外壳的杆部在其第一位置时，所述第一和第二电流传感器的每一个具有中心开口，所述中心开口被设定尺寸，以容纳所述变压器的终端；

所述第一和第二电流传感器进一步被定位在所述外壳上，使得所述计量表可以被安装在所述变压器的终端，其中，所述第一电流传感器的所述中心开口容纳所述变压器的一个终端，所述第二电流传感器的所述中心开口容纳所述变压器的另一个终端；

第一和第二电压导线，其可被安装在所述变压器的所述终端；

仪表模块，其被耦合到所述电流传感器和所述电压导线，所述仪表模块被调适并被配置，以记录来自所述电流传感器和电压导线的电压和电流测量值，以及

通信模块，其与所述仪表模块耦合，从而将所述电压和电流测量值通信到远程用户。

2.如权利要求1所述的计量表，其中，所述第一和第二电压导线的每一个包括导电夹子，其被安装在所述外壳上而分别邻近所述第一和第二电流传感器，所述导电夹子的每一个被设定尺寸并被配置，使得每一个所述导电夹子与被容纳在相应的所述电流传感器的中心开口中的所述终端电接触。

3.如权利要求1所述的计量表，其中，所述第一和第二电流传感器的每一个包括从所述中心开口辐射的多个平面线圈，所述平面线圈以所述中心开口的中心轴基本径向对称而被定位，每一个电流传感器的一些所述平面线圈被包含在所述外壳的所述体部中，而一些所述平面线圈被包含在所述外壳的所述杆部中，每一个电流传感器中的所述线圈电互连，使得所述线圈的输出电压被合并以及被施加于所述电流传感器的输出终端。

4.如权利要求3所述的计量表，其中，在第一和第二电路中的第一和第二组平面线圈分别电互连，所述第一和第二组平面线圈被交错，所述第一电路被耦合到差分放大器的正输出端，而所述第二电路被耦合到所述差分放大器的负输出端。

5.如权利要求1所述的计量表，其中，所述外壳的杆部被枢转地连接到所述外壳的体部，并且进一步包括闭锁装置，所述闭锁装置用于使杆构件在其第一位置闭锁和开锁。

6.如权利要求4所述的计量表，其中，所述外壳的杆部被枢转地连接到所述外壳的体部，并且进一步包括闭锁装置，所述闭锁装置用于使杆构件在其第一位置闭锁和开锁。

7.如权利要求6所述的计量表，其中，所述通信模块包括电力线通信模块，从而通过与所述变压器耦合的电力线将所述电压和电流测量值通信到远程用户。

8.如权利要求6所述的计量表，其中，配置所述仪表模块，从而在时间间隔内周期性的测量所述电压和电流测量值，并将所述测量值存储在存储器中，以及其中，配置所述通信模块从而将所述被存储的测量值传输到所述远程用户。

9.如权利要求7所述的计量表，其中，配置所述仪表模块，从而在时间间隔内周期性的测量所述电压和电流测量值，并将所述测量值存储在存储器中，以及其中，配置所述通信模块从而将所述被存储的测量值传输到所述远程用户。