CN103149465B - 计量装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种计量装置。计量设备包括测量单元。测量单元被配置为耦接至电力线的相，以测量相的至少一个参数并提供表示所测量的参数的数据。控制单元耦接至测量单元，并且被配置为处理由测量单元提供的数据。数据通信通道被配置为耦接测量单元和控制单元，并且提供用于单元间的数据传输的路径。数据通信通道包括磁性传送装置。电力通道被配置为耦接测量单元和控制单元。在测量和控制单元之间提供用于能量传输的路径。电力通道包括磁性传送装置。

Description

计量装置

技术领域

本发明的实施方式涉及计量设备，尤其涉及用于测量和处理电力线的参数的设备。

背景技术

例如，电力线计量装置能够被用来追踪电力线或电力网的一个或多个相（phase）的一个或多个参数。计量装置通常是电子装置，其耦接到电力线并且适于测量电力线的电压和电流。例如，为了确定功耗，能够处理表示电力线的电压和电流的数据。此数据可被存储。例如，之后用户和公共事业供应商能够在任何时候访问此数据。例如，电力网计量能够帮助公共事业供应商管理总的能量消耗模式，并且解决峰值需求挑战。例如，电力线计量能够帮助客户更好地管理他们自己的使用量。

已经存在用于单相或多相电力线或者电力网上的电表的几种解决方法。例如，在典型的多相计量设备中，能够使用电流互感器（变换器，transformer）和电压互感器测量每相的电力参数。对于单相计量设备，已知使用电阻器、分路、分压器和/或电流互感器的解决方法。例如，电力线的电力因数参数或者其他参数能够使用数字信号处理器从采样数据计算。

因为每相都具有不同的参考电压，所以一个计量单元需要测量每相的电流。每个单元被分别供电。为了电流隔离一个相和相应计量单元，能够使用电流互感器、霍耳传感器或者光耦合器。对于所有解决方法，许多不同的部件需要电流隔离和电力供应。因此，这些解决方案需要更多空间并且具有高的物料成本。例如，当使用磁性传感器时，也存在损害这种计量装置的风险。

因为部件数量和成本始终是关键，所以存在对要求较少部件的计量设备的需要，并因此与电流方案相比在成本和空间方面更加优化。

发明内容

公开了一种计量设备。根据本发明的一个实施方式，计量设备包括测量单元。测量单元被配置为耦接电力网的相，以测量能量相的至少一个参数，并提供表示所测量参数的数据。控制单元耦接到第一部件，并且被配置为处理由测量单元提供的数据。数据通信通道被配置为耦接测量单元和控制单元，并提供用于单元之间的数据传输的路径。数据通信通道包括磁性传送装置。电力通道被配置为耦接测量单元和控制单元，并提供用于单元之间的能量传输的路径。电力通道包括磁性传送装置。

附图说明

现在参考附图解释实例。附图用来说明基本原理，从而只示出理解该基本原理所需要的方面。附图没有按比例绘制。在附图中，相同的参考标记表示相似的特征。

图1以方框图示出本发明的实施方式的基本原理；

图2以方框图示出本发明中用于数据和能量传输的实现方式的一个实例；

图3以方框图示出本发明中用于时钟传输的实现方式的一个实例；

图4以方框图示出用于本发明的实施方式的实现方式的一个实例；以及

图5以方框图示出用于多相电力网的设备的一个实例。

具体实施方式

在以下详细描述中将参考附图，附图构成说明书的一部分，并且示出可实施本发明的示例性具体实施方式。在这点上，参考所描述附图的定向使用方向性术语，例如“顶部”、“底部”、“前方”、“后方”、“通向”、“尾部”等等。因为实施方式的部件能够以许多不同定向放置，所以方向性术语用于图例的目的并且不是限制。应当理解可以利用其他实施方式，并且可以做出结构或逻辑变化而不偏离本发明的保护范围。因此，以下详细描述不应被认为是限制意义的，并且本发明的范围是由权利要求限定的。应当理解，这里所述的各种示例性的实施方式的特征可以彼此结合，除非另外指出并非如此。

图1示出根据本发明的一个实施方式的计量设备。该计量设备包括测量单元2，其耦接到电力网的相1。然而，计量设备不是必须耦接到电力网。其能够耦接到任何电力线。测量单元2被配置为测量相1的至少一个参数，例如相和参考电位之间的电压或者电流，参考电位例如是地电位。控制单元3经由数据通信通道41耦接到测量单元2，并且测量单元2经由电力通道42耦接到控制单元3。数据通信通道41提供用于测量单元2和控制单元3之间数据传输的路径。经由这个数据通信通道41，数据能够从测量单元2发送到控制单元3或者从控制单元3发送到测量单元2。例如，经由通信通道从测量单元2发送到控制单元3的数据是表示由测量单元2测量的参数的数据。

电力通道42提供用于测量单元2和控制单元3之间能量传输的路径。经由电力通道42，控制单元3提供给测量单元2操作所必须的能量。因此，不需要测量单元2的额外的电源。

数据通信通道41和电力通道42都包括磁性传送装置（magnetictransferdevice），其能够是互感器或者无芯互感器（corelesstransformer），例如该互感器的初级线圈连接到测量单元2和控制单元3中的一个，并且次级线圈连接到测量单元2和控制单元3中的另一个。互感器及其他磁性传送装置通常能够用于将数据和/或能量从一个电路传输到另一个，并保持电路彼此电流隔离。

电力通道42中的磁性传送装置主要用于将能量从控制单元3传输到测量单元2。然而，能量也可能在另一个方向上传输。数据通信通道41中的磁性传送装置用于将数据从测量单元2传输到控制单元3，或者反之亦然。例如，测量相1的参数的测量单元2将表示所测量参数的数据提供到控制单元3。例如，控制单元3被配置为进一步处理这个数据，从而确定功耗。如果需要，也可能经由数据通信通道41将数据从控制单元3发送到测量单元2。

在常规的计量设备中，测量单元2和控制单元3每个都具有专用电源。这增加了所需要的部件的数目，以及空间和总的成本。然而，在根据图1的计量装置中，为测量单元2供电所需要的能量是经由专用传输路径从控制单元3传输的。因此，需要的部件比常规配置少，这减少了尺寸和成本。

图2更详细地示出计量设备的实施方式。参考图2，测量单元2包括测量和传输单元2a和电力供应单元2b，并且控制单元3包括数据接收和处理单元3a和电力供应单元3b。每个单元都耦接到数据通信通道41和电力通道42的磁性传送装置中的一个。

电力供应单元2b经由磁性传送装置接收能量，并且被配置为向测量和传输单元2a供电。磁性传送装置，例如电力通道42中的装置，通常不能提供恒定电力传输，而是传输振荡或者脉冲信号。电力供应单元2b被配置为从经由电力通道42从控制单元3接收的振荡或者脉冲信号生成直流供应电压。

电力供应单元2b经由电力通道42接收的电力由控制单元3的电力供应单元3b提供。例如，电力供应单元3b耦接到专用电源（未示出）。这个专用电源也为控制单元3的数据接收和处理单元3a供电。

测量单元2的测量和传输单元2a耦接电力网的相1，并且被配置为测量相1的至少一个参数，例如相和参考电位之间的电压或电流，并且从而经由数据通信通道41提供表示至少一个参数的数据。根据一个实施方式，测量电压和电流，以便能够计算连接到该相的负载（未示出）的功耗。控制单元3的数据接收和处理单元3a从测量和传输单元2a接收此数据，并且被配置为处理此数据。当表示电压和电流的数据从测量单元2传输到控制单元3时，控制单元3能够被配置为确定连接到该相的负载的功耗。例如，控制单元3能够被配置为提供处理后的数据给其他部件（未示出），例如功耗或者数字化电流和/或电压，其中，其他部件可进一步耦接控制单元3。例如，处理后的数据能够被提供到微控制器单元或者任何其他装置，其能够进一步评估这个数据。

现在参考图3。根据一个实施方式，电力通道42不只用于传输能量，也用于将时钟信号从控制单元3传输到测量单元2。有时，可能需要同步测量单元2和控制单元3的时钟。特别是在数字电路中，可能需要时钟信号，从而协调电路的行为。时钟信号由时钟发生器生成。控制单元3可能在其电力供应单元3b内包括时钟发生器或者时钟恢复单元37，以便生成时钟信号。这个时钟信号能够经由电力通道42的磁性传送装置或者数据通信通道41的磁性传送装置传递到测量单元2。测量单元2也可能在其电力供应单元2b内包括时钟恢复单元25。测量单元2的时钟恢复单元25被配置为从控制单元3的时钟生成单元37接收时钟信号，并且生成时钟信号CLK，其能够用于使测量单元2的时钟适应于控制单元3的时钟。

这在图3中示出。在所示的实例中，测量单元2和控制单元3每个都在其传输单元2a和3a内包括收发模块23、33。这些模块23、33能够用于经由数据通信通道41发出或者接收数据。时钟恢复单元37能够生成参考时钟信号或者主时钟信号，其表示控制单元3的收发模块33的时钟并且经由电力通道42传输此主时钟信号。测量单元2中的时钟恢复单元25能够接收此主时钟信号，生成与从控制单元接收的时钟信号同步的CLK信号，并将其提供到测量单元2中的收发模块23。以此方式，能够同步测量单元2和控制单元3的时钟。同步测量单元2和控制单元3的时钟的另一个替换方式是使用时钟恢复单元25生成时钟信号CLK，其表示测量单元2的收发模块23的时钟。例如，经由数据通信通道，此时钟信号CLK能够传输到控制单元3，在这里时钟恢复单元37能够生成与测量单元的时钟信号同步的时钟信号。

图4示出根据本发明的计量设备的更详细的实例。测量单元2包括第一模数转换器210，例如从而测量相1的电流。可代替测量电流或另外还测量相1的任何其他的参数，例如电压。模数转换器210将表示所测量电流的模拟信号转换为数字信号。第二模数转换器211能够用于测量相1的与模数转换器210不同的参数，而不是只用一个模数转换器210测量多于一个的相1的参数。例如，模数转换器210可以测量相1的电流并且模数转换器211可以测量电压。在这个实例中，模数转换器211直接连接到相1。也可在相1和模数转换器210之间耦接可编程增益放大器22。从而可编程增益放大器22和模数转换器210形成模拟前端，其执行信号转换。然而，可编程增益放大器22是可选的，因为不是总是必须在转换为数字信号之前首先放大模拟信号。

收发模块23是这样的模块，其为模数转换器生成时钟，同步该时钟与主时钟，并且对将要发给控制单元3的信号执行纠错编码。在这个实例中，用于信号传输的磁性传送装置是无芯互感器。传输部分241需要调制将传输的信号。传输部分241从收发模块23接收数字化信号，调制该信号并经由数据通信通道41传输，该数据通信通道41由无芯互感器的两个线圈组成。

为了传输，数字信号被转换为电脉冲。控制单元3的接收模块341接收这些电脉冲并将其解调，以便恢复该原始信号。然后，此信号被发送到收发模块33，其执行信号的解码。无芯互感器也可能用于电力通道42。能量主要从控制单元3传输到测量单元2，以便为测量单元2的部件供电。因此，部分342主要起传输部分的作用，并且部分242主要起接收部分的作用。能量也能够在另一个方向上传输，从测量单元2到控制单元3。在这些情况下，部分242会起传输的作用，并且部分342会起到接收部分的作用。在每种情况下，传输部分会执行调制，接收部分会执行解调。测量单元2中的电力供应单元26接收传输能量，并且将其提供到测量单元2的另一个部件。

如前面提到的，时钟信号也可经由电力通道42从控制单元3发送到测量单元2。如果需要，当然时钟信号也可经由数据通信通道41从测量单元2发送到控制单元3。时钟恢复单元25、37均能够从发送/接收模块23、33生成时钟信号，并且使得此时钟与经由通道41、42接收的时钟信号同步。

如果需要，进一步可将配置数据从控制单元3传输到测量单元2，或者反之亦然。测量单元2中的配置寄存器27能够存储从控制单元3接收的配置数据。

控制单元3可以进一步连接到其他部件，以便传输从测量单元2接收的数据。因此，能够使用专用或者标准接口35，从而经由该接口35将数据发送到连接到控制单元的部件和/或从该部件接收数据。接口35可以是专用接口，例如差分接口或数字接口。例如，也可以是标准接口，像SPI接口。

图5示出上述计量设备如何被用在多相电力线上。例如，在电力网中，经常多于一相。因此，例如可能测量两个或三个相的参数。图5中所示的电力网具有三个相1x、1y和1z。在每个相上，可以测量像电压和电流的参数。然而，可以代替地或附加地测量电力网或者电力线的任何其他参数。计量设备连接到每个相，因为其通常需要这些相彼此电流隔绝。例如，一个计量设备可连接到相1x。测量单元2x连接到相1x，并且经由数据通信通道41x和电力通道42x进一步连接到控制单元3x。控制单元3x连接到微控制器5。除了微控制器5，任何其他装置都能够连接到控制单元3x，其能够进一步评估计量设备处理过的数据。

第二计量设备连接到第二相1y。计量设备由测量单元2y、控制单元3y、数据通信通道41y和电力通道42y组成。计量设备可以测量相1y的任何参数，并且将经处理数据提供到微控制器5。第三计量设备连接到第三相1z和微控制器5。以这种方法，只需要一个微控制器5评估全部三个相1x、1y和1z的数据。另一方面相1x、1y和1z彼此电流隔绝，这在各种应用中是必须的。

可通过使用根据本发明的一个或多个计量设备测量多相电力线的一个或两个或全部三个相的参数。在不需要两个或更多相的电流隔离的情形中，一个计量设备也能够用于多于一个相的参数测量。

空间相对术语用于便于解释一个元件相对于第二个元件的放置，这些术语例如“下方”、“低于”、“较低”、“上方”、“较高”等等。这些属于用于涵盖除了图中所示的这些以外的定向的装置的不同定向。进一步地，例如“第一”、“第二”等等的术语也用于描述各种元件、区域、区段等等，并且也不是意图限制。贯穿整个说明书，类似的术语涉及类似的元件。

如这里所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等等开放术语，其指示现有的元件或器件的存在，但不排除额外的元件或器件。冠词“一”、“一个”和“该”意图用于包括复数以及单数，除非背景中清楚地另外指示。

对于上述变化和应用的范围，应理解，本发明不是由上面描述限制的，也不是由附图限制。相反，本发明仅由所附权利要求及其法定权利等价物限制。

Claims (17)

1.一种计量设备，包括：

测量单元，被配置为耦接至电力线的相，以测量所述相的至少一个参数，并提供表示所测量的参数的数据；

控制单元，耦接至所述测量单元，并被配置为处理由所述测量单元提供的所述数据；

数据通信通道，被配置为耦接所述测量单元和所述控制单元，从而提供用于单元间的数据传输的路径，所述数据通信通道包括第一磁性传送装置；以及

电力通道，被配置为耦接所述测量单元和所述控制单元，从而提供用于所述测量单元和所述控制单元之间的能量传输的路径，所述电力通道包括第二磁性传送装置，

其中，所述控制单元进一步被配置为将时钟信号发送到所述测量单元或者从所述测量单元接收时钟信号，

其中，所述测量单元经由所述电力通道将能量传输至所述控制单元。

2.根据权利要求1所述的计量设备，其中，由所述测量单元测量的参数包括所述相的电压和所述相的电流。

3.根据权利要求1所述的计量设备，其中，所述第一磁性传送装置和所述第二磁性传送装置包括互感器。

4.根据权利要求1所述的计量设备，其中，所述第一磁性传送装置和所述第二磁性传送装置包括无芯互感器。

5.根据权利要求1所述的计量设备，其中，所述时钟信号经由所述电力通道发送。

6.根据权利要求5所述的计量设备，其中，所述测量单元进一步被配置为从所述控制单元接收时钟信号或者将时钟信号发送到所述控制单元。

7.根据权利要求2所述的计量设备，其中，所述测量单元包括模数转换器，以测量所述相的电压或电流。

8.根据权利要求2所述的计量设备，其中，所述测量单元包括测量所述相的电压的第一模数转换器和测量所述相的电流的第二模数转换器。

9.一种操作计量设备的方法，所述方法包括：

利用测量单元测量电力线的相的至少一个参数；

确定表示所测量的参数的数据；

经由数据通信通道将所述数据从所述测量单元传输到控制单元，所述数据通信通道包括第一磁性传送装置；

在所述控制单元处处理从所述测量单元传输的所述数据；以及

经由电力通道将能量从所述测量单元传输到所述控制单元，所述电力通道包括第二磁性传送装置，

所述方法进一步包括：在所述控制单元和所述测量单元之间传输时钟信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述测量单元测量的所述参数包括所述相的电压或电流。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一磁性传送装置和所述第二磁性传送装置是互感器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一磁性传送装置和所述第二磁性传送装置是无芯互感器。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述时钟信号经由所述电力通道传输。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，传输所述时钟信号包括将所述时钟信号从所述控制单元传输到所述测量单元。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，传输所述时钟信号包括将所述时钟信号从所述测量单元传输到所述控制单元。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，测量至少一个参数包括利用模数转换器测量所述相的电压或电流。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，测量至少一个参数包括利用第一模数转换器测量所述相的电压和利用第二模数转换器测量所述相的电流。