CN102388519A - 具有选相器的智能计量设备 - Google Patents

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CN102388519A CN2010800066456A CN201080006645A CN102388519A CN 102388519 A CN102388519 A CN 102388519A CN 2010800066456 A CN2010800066456 A CN 2010800066456A CN 201080006645 A CN201080006645 A CN 201080006645A CN 102388519 A CN102388519 A CN 102388519A
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Abstract

一种用于将终端用户主电网连接到多相配电网并且监视所述终端用户主电网上的消耗的智能计量设备(10)，包括：输入端(L1、L2、L3)，将所述智能计量设备(10)连接到所述多相配电网的多相；单相低压输出端(1、2)，用于将所述终端用户主电网连接到所述智能计量设备(10)；所述输入端(L1、L2、L3)与所述低压输出端(1、2)之间的电力电路(5)；调制解调器(6)，用于接收从与所述配电网相关联的通信服务器发送的控制消息；控制器(3)，通信地连接到所述调制解调器(6)，以响应所述控制消息控制在所述智能计量设备(10)中的切换操作；以及选相器(4)，与所述控制器(3)通信地连接并且包括输入开关，用于在不同组的所述输入端(L1、L2、L3)之间切换所述低压输出端(1、2)，每个组都对应于所述多相配电网的所述多个相其中之一。

Description

具有选相器的智能计量设备
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的智能计量设备以及使用这样的智能计量设备管理多相配电网上负载的方法。
背景技术
近年来，公共事业公司，在此情况下是运行配电网的公司，将开始以能够远程读取的所谓的“智能电表”更换其机电式费拉里电表的大部分或全部。存在着与这些电表通信的几种方式，但是有一种尤为适于该任务，也就是电力线通信或PLC。它提供了两个主要的优点：它被低压电网操作员本人控制以及它是获得“即插即用”操作的装置，因为当该电表在低压电网上分流时该电表就自动连接到通信平台。
使用PLC，配电员能够远程切断所连接的终端用户主电网的若干部分，例如仅仅在夜间需要电力的部分。
所以EP-A-2009807介绍了电力线通信系统和智能计量设备的若干实例。
从US-A-6018203公知了跨多相电网进行负载分配所用的装置。这种装置具有在可能的重负载条件下切换的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供智能计量设备，配电员利用它能够管理配电网的若干相上的负载分配以及进行无负载条件下的切换操作。
利用表明权利要求1中技术特征的智能计量设备来实现这个目的。
根据本发明，所述智能计量设备配备了选相器，利用它能够把输出从一相切换到另一相。以这种方式，当多个终端用户主电网利用本发明的智能计量设备连接到一个配电网部分时，所述配电员能够远程控制位于不同终端用户主电网处的选相器，以重新分配在配电网的不同相上的负载。因此，能够实现所述负载的更平稳分布。
根据本发明，所述智能计量设备配备了控制器控制下的若干输出开关，利用输出开关能够关断所述终端用户主电网的不同部分。这些输出开关在操作所述选相器使所述终端用户电网切换到不同的相之前先断开。以这种方式，能够在无负载条件下进行相的切换。所述计量设备能够以其内置的计量电路检测零电流状态，以确保所述选相器仅仅在无负载时才切换。由于所述选相器仅仅在无负载条件下才切换，所以能够为低触点电阻优化输入开关，使得实质上不导致所述输入开关触点的损耗以及能够确保所述选相器长寿命。在所述相已经切换后所述输出开关很快地再次闭合。整个操作意味着所述终端用户主电网上电力的仅仅短暂中断，对连接到所述终端用户主电网的任何电器这都不是问题。
除了根据负载不平衡切换给定电网上一定的电表的相的可能性以外，也能够根据落在最小和最大限度之外的(典型情况下在低压电缆或线路的终端处的)相电压决定切换。装备了选相器的智能电表能够被配置为连接到在初始安装时刻电压最高的相。中心服务器也能够指令一定的电表切换到电力质量最好的相(例如该相上电压最高)。在一相由于保护熔丝动作被切断的情况下，提供的电表能够切换到仍然带有正常电压电平的其他相之一。通过所述控制器的算法中的适当步骤能够在本地实现这一点，或者通过来自所述服务器的控制消息能够远程地实现这一点。
优选情况下，在电力消耗低例如夜晚期间时进行相切换操作。在优选实施例中，利用内置的计量电路在所述智能计量设备中监视所述电力消耗，以便检测所述电力消耗何时下降到预定的水平以下，以及任何相切换都仅仅在此时才进行，以便限制对客户或电器的冲击。所述智能计量设备能够与中心电表管理服务器通信，以便将电力消耗和状态信息发送到所述服务器，它能够立即发送回引起所述相切换操作的控制消息和/或参数。所述预定的电力消耗水平能够是可配置的，即由所述管理系统设定。
所述选相器能够利用适当的控制信号个别地或成组地控制。这些信号能够经由任何公知的通信网络，比如陆上线路网络上的因特网，比如同轴电缆、电话线路或其他线路，或者无线网络比如3G、GPRS或其他网络，发送到所述智能计量设备的通信调制解调器。
在优选实施例中，为了PLC通信而提供了所述智能计量设备的通信调制解调器，所以所述配电网本身能够用于所述控制消息，因此能够避免分开的网络的需要。
在优选实施例中，在包括多个根据本发明的智能计量设备的网络中，一个或多个所述智能计量设备具有为了PLC通信而提供的通信调制解调器以及若干功能作为到其他非网关智能计量设备的网关。这意味着所述PLC服务器与所述非网关智能计量设备之间的通信经由所述网关智能计量设备之一发生。当在终端用户设备处存在的例如因特网、电话线路或任何其他电信网络能够用于所述网关与所述PLC服务器之间的通信时，这种解决方案极为方便。所述电信网络也可以是本领域技术人员公知的任何无线电信网络。万一存在多个网关时，所述网关功能能够在必要时从一个传递到另一个。
附图说明
利用以下说明和附图将进一步阐明本发明。
图1显示了根据本发明的智能计量设备的框图；
图2显示了根据本发明的智能计量设备的选相器和相关联操作表的优选实施例；
图3显示了根据本发明一方面的智能计量设备中用作输出切换装置的可能电路。
具体实施方式
本发明将关于特定实施例和参考一定的附图进行介绍，但是本发明不限于此，而仅仅由权利要求书限制。所介绍的附图仅仅是示意性的而不是限制性的。在附图中，为了展示目的某些元件的尺寸可能被夸大而未按比例绘制。这些尺度和相对尺度未必对应于本发明实践中的实际缩影。
不仅如此，本说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于在类似的元件之间进行区分，而未必用于描述顺序的或时间先后的次序。这些术语在适当的情况下可互换，并且本发明的实施例可以按不同于本文说明或展示的顺序运行。
此外，本说明书和权利要求书中的术语顶、底、之上、之下等被用于描述目的，而未必用于描述相对位置。如此使用的这些术语在适当的情况下可互换，并且本文介绍的本发明的实施例可以按不同于本文说明或展示的朝向运行。
权利要求书中使用的术语“包括”不应当解释为限制为其后罗列的装置；它并不排除其他元件或步骤。它需要解释为规定了引用时所宣称的特征、整数、步骤或组件的存在，但是并不排除一种或多种其他特征、整数、步骤或组件以及其组合的存在或增加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅仅包括组件A和B的设备。它意味着关于本发明，所述设备的相关组件只有A和B。
图1显示了根据本发明的智能计量设备的框图。它包括连接到三相配电网的电压输入端L1、L2、L3；去往终端用户主电网的低压(LV)输出电路21、22；连接输入和输出的(内置的或外部的)电力电路5；在配电网上和/或其他网络上发送和接收消息的调制解调器“WAN接口”6；响应在例如配电网上从与配电网络相关联的通信服务器/中心能够收到的控制消息用于控制切换操作的控制器“CPU/DSP”3；以及在这些输入处的选相器4，利用其能够响应所收到的控制消息将这些输出切换到配电网的不同相。
图1中智能计量设备的进一步特征在EP-A-2009807中进行了介绍，其全部内容在此引用作为参考。
电力线通信(PLC)是向智能电表传送控制消息的公知技术。它使用了远在主频外的预定义频带(如Cenelec频带A或其他公知的频带)。
智能电计量器通常用于控制负载，方式为切换其LV输出的通断。图1中的两个输出块21、22都执行智能电表的LV电力电路中的功能，并且使有助于改进电网运行和利用率的额外功能能够实施。
在大多数LV电网中，配送3相，或者具有或者没有中线。大多数消费者仅仅连接了这三相中的一相，而许多人在其连接电缆上有3相可用。许多电网具有严重不平衡的相，这意味着LV变压器和/或电网电缆的负载不均衡，导致过热以及不必要的电压降。获得远程地或自动地平衡这三相上负载的可能性，正如以图1的智能计量设备实现，具有几个好处：变压器和电缆的更好的电力应对、更低的电力损失和电压降，所以可以提高电力质量。通过在图1的单相智能电表输入处添加选相器4而实现这一点。
智能电表有能力在其输出端切断消费者的负载，它允许选相操作在无负载条件下进行。这使得有可能利用更简单和更低成本的继电器或继电器组合来执行相切换。可以内置智能以使得智能电表等到消费者的电力使用降低到一定的水平之下再执行相切换，使得短时间电力中断的影响最小。可以将相切换限制到每天的某些时段，例如午夜，以进一步减少对居民的最终干扰。
使用根据本发明的智能计量设备，使用所关注的配电网部分上确定的各个负载概况和在该电网部分上各个智能电表上所检测的最低电压计算负载，根据计算结果在中心系统上能够检测到负载不平衡或LV电缆中过低的电压。随后能够执行一组终端用户的相切换，以补偿负载的不平衡或在电压电平太低的相中提升电压。
图2显示了选相器4的优选实施例，具有切换相的两个继电器R1、R2，确切地说一个三极转接继电器R1，随后是一个单极转接继电器R2。下面的操作表解释了继电器的不同位置如何与输出端O1-O2上出现的不同相相关。
Figure BDA0000081255000000061
操作表
在根据本发明的智能计量设备的另一个方面，它可以与以上介绍的方面组合也可以不组合，输出切换装置包括具有并行半导体开关的功率继电器。图3显示了可能的构造。通过使A与A’以及B与B’互连，使三个选项(三端双向可控硅开关元件、硅控整流元件或场效应晶体管)之一被置于与继电器的触点并行。半导体可以电控也可以光控。半导体在没有周边组件情况下象征性地呈现。
一般来说，智能电表都在输出处配备有功率继电器，以便能够远程地切断消费者电源。这种继电器不得不能够维持多项切换操作，往往在重负载的情况下，有时是重复的，这可能导致开关触点的过热和严重磨损。利用某些类型的半导体开关执行切换动作，在智能计量设备的这个方面这可以得到补救，只要在半导体开关的最大额定值以下操作，进行切换时它几乎没有磨损。半导体开关事实上在这方面比继电器可靠得多。不过，它的缺点在于在半导体中耗散了某些电力，导致它们发热，不得不将其视为电力损失。并行地使用两种类型的开关，当使用合适的切换序列时两个问题都解决了。继电器触点对于非常低的触点电阻在这种配置中能够被优化，并且触点的断开距离能够减小，因为不需要实施灭弧机制。它们的成本可以低于能够中断有时电感应可能相当强的大电流的继电器，这至少部分地补偿了功率半导体的额外成本。
假设智能计量设备使用与继电器触点并行的半导体开关，附加的好处在于半导体开关提供了用作功率调节器的可能性，它允许电网配电员调节例如公共照明，或者切断之后重新供电时，逐渐地接通消费者的负载，以便避免高电涌或对万一事故导致短路的强行接通。
当该电表被用于公共照明的调节器时，应当注意避免该电表中的功率半导体过热。为此，应当注意为这些半导体提供足够的冷却能力，并且应当监视它们的温度以便在万一过热危险存在时安全地切断负载。使用的半导体也应当具有低电阻以便限制接合处的电力耗散。
作为半导体，三端双向可控硅开关元件、硅控整流元件或功率场效应晶体管(二者都以反向并联或串联配置安装并由抗反向电压的二极管保护)都是适合的。三端双向可控硅开关元件和硅控整流元件提供了自动零电流中断的优点而功率场效应晶体管可以在负载下提供较低的电力损失。
智能电表包含着必要的智能以保证使用适当的切换顺序并保证操作安全。例如，接通或切断负载的最佳时刻取决于负载的类型：主要为电阻性负载最好在跨越零电压时被接通或切断，而电感性负载最好在电压最高时被接通或切断因为此时电流通常接近其最小值。由于智能电表对电压和电流都进行了数字化，所以最佳的切断时刻总是能够根据电流和电压选择。最佳的接通时刻可以在信息足够新近时基于最新近的信息，而在得不到有效的新近信息时则定在零电压时。在任何情况下，通过逐渐增加半导体开关的开放角度的软接通都是优选的，因为这避免了在任一负载处的过大电流。三端双向可控硅开关元件和硅控整流元件总是切断接近零的电流，对于大多数电阻性负载这是理想的，但是对于电感性负载不是非常好，这甚至可能会导致产生过压。为了保护半导体对抗这些过压，可以与这些半导体并联地安装电涌极限器。
因为总存在着泄漏电流、半导体结故障甚至远程接通命令失败的可能性，所以这些输出电路的断开从未被认为是安全的。如果需要主电压的安全中断，可以在LV连接线路与建筑物安装之间增添额外的手动开关。

Claims (15)

1.一种用于将终端用户主电网连接到多相配电网并且监视所述终端用户主电网上的消耗的智能计量设备(10)，包括：
-输入端(L1、L2、L3)，用于将所述智能计量设备连接到所述多相配电网的多个相；
-单相低压输出端(1、2)，用于将所述终端用户主电网连接到所述智能计量设备；
-在所述输入端与所述低压输出端之间的电力电路(5)，所述电力电路(5)包括选相器(4)，该选相器包括输入开关，用于在不同组的所述输入端(L1、L2、L3)之间切换所述低压输出端(1、2)，每个组都对应于所述多相配电网的所述多个相其中之一；
-调制解调器(6)，用于接收从与所述配电网相关联的通信服务器发送的控制消息；
-控制器(3)，通信地连接到所述调制解调器(6)和所述选相器(4)，以响应所述控制消息控制在所述智能计量设备中的切换操作；其特征在于，
-每个单相低压输出都具有输出开关(21、22)，与所述控制器(3)通信地连接，用于关断所述终端用户主电网的被连接到相应单相低压输出端(1、2)的一部分；
所述控制器适于操作所述输出开关(21、22)，以在操作所述选相器(4)之前关断所述终端用户主电网的所述部分。
2.根据权利要求1的智能计量设备，其特征在于，所述选相器(4)的输入开关是一个三极转接继电器(R1)，随后是一个单极转接继电器(R2)。
3.根据权利要求1或2的智能计量设备，其特征在于，所述控制器(3)配备了将所述终端用户主电网上的电力消耗与预定水平相比较的装置以及推迟所述选相器的切换直到所述电力消耗下降到所述预定水平以下的装置。
4.根据任何一项前面的权利要求的智能计量设备，其特征在于，所述调制解调器(6)连接到所述电力电路(5)并且是为了在所述配电网上与所述通信服务器进行电力线通信而提供。
5.根据权利要求4的智能计量设备，其特征在于，所述调制解调器包括网关，用于经由另一个通信网络接收去往其他智能计量设备的控制消息并且经由所述配电网向所述其他智能计量设备传递这些控制消息。
6.根据权利要求1-5中任何一项的智能计量设备，其特征在于，所述输出开关包括与半导体开关电路并联的继电器。
7.根据权利要求6的智能计量设备，其特征在于，所述半导体开关电路包括三端双向可控硅开关元件。
8.根据权利要求6的智能计量设备，其特征在于，所述半导体开关电路包括硅控整流元件。
9.根据权利要求6的智能计量设备，其特征在于，所述半导体开关电路包括场效应晶体管。
10.一种用于管理多相配电网的多个相上的负载的方法，所述配电网经由根据任何一项前面的权利要求的智能计量设备(10)连接到多个终端用户主电网，其特征在于，所述方法包括以下步骤：检测其中一个所述相上关于其他所述相的更高负载，以及在所述配电网上传送控制消息，以操作至少某些所述智能计量设备(10)的所述选相器(4)，从而将所连接的终端用户主电网从一相切换到其他相，其中，在断开相应智能计量设备的所述输出开关(21、22)之后操作所述选相器(4)。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述选相器(4)的操作限制在每天的某些时段。
12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：使用利用所述智能计量设备(10)确定的各个负载概况和所述智能计量设备(10)上所检测的最低电压，检测所述相之间的负载不平衡。
13.根据权利要求10-12中任何一项的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将所述终端用户主电网上的电力消耗与预定水平相比较，并且推迟所述选相器的切换直到所述电力消耗下降到所述预定水平以下。
14.根据权利要求10-13中任何一项的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：监视所述多相配电网的每个相上的电压电平，并且在相切换时切换到电压电平最高的相。
15.根据权利要求10-14中任何一项的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：监视所述多相配电网的每个相上的电力故障，并且在其中一个相上发生电力故障时，操作与发生故障的相相连的所述智能计量设备(10)的所述选相器(4)到另一相。
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