CN106133534B - 电网络支路的能量消耗的测量方法和实施所述方法的测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网络(10)的支路(11‑N)的能量消耗的测量设备(1)，具有连接在网络的支路上游的用于以集中的方式测量所述网络的电压的单一电压测量装置(2)，和连接在每个网络支路上的用于测量在网络的所述支路上的电流的多个专用电流测量装置(3)。这些测量装置(2、3)通过网络线缆(6)连接，允许将电压测量数字地传送到所述电流测量装置(3)，所述电流测量装置包括用于计算所分析的所述网络支路的所述能量消耗的处理单元(33)。通过采样来进行电压测量和电流测量，并且频率采样被比较并被自动调整以便使电流样本同步于电压样本。

Description

电网络支路的能量消耗的测量方法和实施所述方法的测量 设备

技术领域

本发明涉及电网络支路的能量消耗的测量方法，在该方法中借助连接在网络支路上游的单一电压测量装置，以集中的方式测量所述网络的电压，借助专用电流测量装置，测量在网络支路中的至少一个网络支路上的电流，经由通信链路将所述电压测量传送至所述电流测量设备，以及在所述电流测量装置中至少计算所分析的所述网络支路的所述能量消耗。

本发明还涉及实施以上测量的测量设备，并且包括：连接在待分析网络支路上游的用于以集中的方式测量所述网络的电压的单一电压测量装置，连接在网络支路之一上的用于测量所述网络支路上的电流的至少一个专用电流测量装置，所述测量装置通过至少一个通信链路彼此相连，所述通信链路允许将所述电压测量传送到所述电流测量装置，所述电流测量装置包括用于计算所分析的所述网络支路的所述能量消耗的至少一个处理单元。

背景技术

对于关于能量效率问题的减少电消耗增长的需求促使几乎必须实现电网络的非常详尽的仪表以便能够识别电消耗的来源、追踪这些消耗的变化、采取措施以减少消耗、以及估计减少消耗的行动的影响。测量电网络支路上的电能消耗使得必须同时测量在该支路中流通的电流及电压。电压接头(prise)的增加具有两大缺点：

-电压测量接头所必需的保护的开销以及体积，和

-在测量装置中电压测量电路的开销以及体积。

这两个缺点表现出对于增加能量分析设备的重大限制。

然而，当限定于配电板时，观察到在该配电板的全部点处电压几乎是相同的。因此，在上游协同共享或集中电压接头以便通过该配电板分析所分布的全部网络支路的消耗似乎是有意义的。

即使在消耗分配分析中，不需要非常高的功率测量精度，然而正确估计所消耗功率的变化是重要的，这意味着在电流测量与电压测量之间的弱小的相位差。例如，如果观察到电机尺寸过大并且以产生强能量消耗的非常低的功率因数运行，并且用以高得多的功率因数运行的更低功率的电机替换原电机，那么在测量上极其严重的相位误差可以导致观察到比预期弱得多的消耗的减小。以示例的方式，0.3°的相位误差表示针对0.50功率因数的在1％数量级的功率测量误差。

非线性电负载的增加还引起与电流及电压的谐波有关的功率的存在。为此，对这些功率谐波的精确研究迫使需要比用于测量网络上的功率所要求的同步质量更高的同步质量。因此能量消耗分析系统应当具有电流与电压之间尽可能小的相位误差，典型地在50Hz为0.1°数量级，其表示约在50Hz约为5μs。

总之，这种测量设备的实施必须尽可能的简单，特别地，在布线方面，以及在三相网络背景中的电压测量电路与电流测量电路之间的正确关联，和这些测量在存在的监督单元中的整合。

用于分析电网络的多个支路的消耗最通常使用的方案包括安装同时具有电压测量电路和电流测量电路的测量装置。通常，这些测量装置通过通信链路彼此连接，该通信链路自身连接到监督单元。该方案的重大缺点是需要实现用于在网络的全部支路上的电压测量的多个连接，而且这些连接必须出于安全原因而被保险丝保护。这些保险丝通常几乎与测量装置本身一样体积大。此外，由于要遵守在危险电压下导体部分之间的绝缘距离、同时要遵守不同极性之间的绝缘距离和相对于用户可达的导体部分的绝缘距离，因此这些电压测量电路在测量装置中占据相当大的地方。

公开US6,330,516B1描述了提出单一电压接头和相当大量的电流传感器的方案。因为实现了电压的单一连接，所以该方法对前面提出的问题作出了部分解答。但是，由于用于电流传感器以及用于与电流传感器相关联的电子仪器的大量输入，因此测量装置的体积变得相当大。此外，必须调整调节电子器件及处理电子器件的尺寸以便能够处理预计被连接的最大数目的电流传感器，在未使用全部测量通道的情况下，这使得减小了该方案的经济效益。此外，将电流传感器的多个连接线缆集中在单一点使得布线以及其检验非常复杂。

公开EP0 853 364A2描述了一种具有一个电压测量装置和通过通信链路彼此相连的多个电流测量装置的设备。在该设备中，电压测量装置定期地发送所测量的电压的幅度和相位，并且电流测量装置根据关系P＝UxIxCosφ计算功率。该方法的缺点是未考虑谐波。

公开EP1 010 015B1描述了一种相同类型的设备，并未以清楚的方式明确指出将向电流测量装置发送除了电压之外的何种信息。

因此这些现有方案不是令人满意的。

发明内容

本发明旨在通过提供一种经济节约的方案来克服这些缺点，该方案适于待分析的电网络的实际需求，借助高度简化的布线从而实施特别简单，本方案允许所测量的电压样本与所测量的电流样本的1μs数量级的同步，即尽管可能存在谐波还是确保极好的计量学质量。

在此目的下，本发明涉及前面所指出类型的方法，其特征在于，通过以第一采样频率对电压采样来进行所述网络的电压测量，通过以第二采样频率对电流采样来进行网络支路的电流测量，比较电压采样时刻与电流采样时刻之间存在的间隔，以及将至少一个采样频率相对于另一个采样频率做调整以使电压采样时刻与电流采样时刻之间存在的间隔引向零。

在优选的形式中，电压测量装置在采样时刻T_v,n使用持续时间D的信息帧将电压样本发送到通信链路上，电流测量装置接收这些电压样本并检测所述信息帧的接收结束时刻T_rec,n，然后电流测量装置计算电压样本的采样时刻T_v,n以及在电流采样时刻T_i,n与电压采样时刻T_v,n之间的间隔ΔT_n，以通过在间隔ΔT_n为正的情况下增大采样频率和在间隔ΔT_n为负的情况下减小采样频率来调整其自己的采样频率以便将该间隔引向0。

有利地，所述电压测量装置使用已知持续时间D的信息帧，按相对于电压采样时刻T_v,n的固定延迟R将电压样本发送到通信链路上。在这种情况下，电流测量装置根据已知数据D和R按照公式T_v,n＝T_rec,n-D-R计算电压采样时刻T_v,n，并按照公式ΔT_n＝T_i,n-T_v,n＝T_rec,n-D-R计算电流采样时刻T_i,n与电压采样时刻T_v,n之间的间隔ΔT_n。

可以使用所述通信链路用于从所述电压测量装置向所述电流测量装置发送从包括以下附加信息的组中选择的附加信息：单相或三相网络的类型、具有或不具有中性线、网络的额定电压、网络的额定频率、日期和小时、有效值测量和功率测量的同步脉冲、事件捕获脉冲。

根据该情况，可以通过N个样本的分组来发送所述电压测量样本。还可以选择固定的电压测量采样频率或根据所分析的电网络的频率进行控制。

优选地，以数字的形式将电压测量样本发送到连接到电流测量装置的网络线缆上，该网络线缆包括称作单向通信对的至少一个第一导线对。

有利地，可以使用相同的网络线缆用于在称作供电对的第二专用导线对上向所述测量装置提供电源。

还可以使用相同的网络线缆用于通过称作双向通信对的第三专用导线对来将测量装置连接到监视单元。

在第一应用中，可以测量相对于由所述网络的地构成的参考电位的电网络的电压。在这种情况下，将接地故障电流注入到所分析的网络中，测量所述所注入的故障电流，以及还可以确定所述所分析的网络的至少一个支路的接地泄漏阻抗。

在第二应用中，电流测量装置可以提供代表在其上测量电流的导线的电压的辅助信号，在这种情况下，所述辅助电压信号被用于使电压测量与在所述电网络的相同导线上进行的电流测量相对应，并自动处理接线错误。

在第三应用中，所述电流测量装置还可以测量在所述网络支路上的本地电压以便本地地计算至少所述能量消耗，并将所述能量消耗与根据集中电压测量计算出的所述能量消耗相比较，因而允许估计在所述网络中的能量损耗。

在第四应用中，可以使用连接到另一个待分析的电网络的至少一个其他电压测量装置。在这种情况下，在所述通信链路上，向电压测量装置中的一个电压测量装置发送由另一个电压测量装置获得的电压测量样本，以及在幅度上和在相位上比较所分析的两个电网络的区别以便在所述区别足够小时将两个网络连接起来。

在两个电网络被连接起来的情况下，电压测量装置中的任意一个控制通信链路并被用于测量所述相对应网络的电压。

同样在此目的下，本发明涉及前面所指出类型的设备，其特征在于，该电压测量装置包括用于通过以第一采样频率对电压采样来进行电压测量的部件；电流测量装置包括用于通过以第二采样频率对电流采样来进行电流测量的部件、用于比较电压采样时刻与电流采样时刻之间存在的间隔的部件；以及所述电压测量装置和电流测量装置包括用于将至少一个采样频率相对于另一个采样频率做调整以使电压采样时刻与电流采样时刻之间存在的间隔引向零的部件。

在本发明的优选形式中，电压测量装置包括至少一个可调振荡器、和至少一个处理单元，所述至少一个可调振荡器被布置用于定义电压测量的采样频率，所述至少一个处理单元被布置用于至少处理所述电压样本。

电压测量装置还可以包括被布置用于测量所分析的网络频率的频率模块，处理单元被布置用于还处理网络的频率测量。在这种情况下，可调振荡器可以被处理单元根据网络的频率控制。

在优选的实施形式中，电流测量装置包括至少一个可调振荡器和至少一个处理单元，所述至少一个可调振荡器被布置用于定义电流测量的所述采样频率，所述至少一个处理单元被布置用于根据通过通信链路接收的电压样本和在所述支路上测量的电流样本，至少计算由网络的所述支路消耗的能量。

电流测量装置还可以包括相位移模块，所述相位移模块被布置用于测量电压采样时刻与电流采样时刻之间存在的间隔，并被布置用于控制可调振荡器以便调整电流测量采样频率从而使电流测量采样频率同步于电压测量采样频率。

通信链路还可以由称作单向通信对的至少一个导线对构成，所述至少一个导线对被提供在网络线缆中用于以数字形式发送电压样本，该网络线缆被布置用于通过合适的连接器将集中的所述电压测量装置连接到所述专用电流测量装置。

作为补充，网络线缆包括称作供电对的第二专用导线对，所述第二专用导线对被布置用于向所述测量装置提供电源。

网络线缆还包括称作双向通信对的第三专用导线对，所述第三专用导线对被布置用于将所述测量装置连接到监视单元。

在第一实施变型中，测量设备可以包括用于将接地故障电流注入到所分析的网络中的部件。在这种情况下，电流测量装置包括被布置用于测量所述接地故障电流的传感器和处理单元，所述处理单元被布置用于根据通过单向通信对接收的电压样本和本地测量的接地泄漏电流的样本，确定所述所分析的网络的所述支路的接地泄漏阻抗。

在第二实施变型中，电流测量装置可以包括辅助电压传感器，所述辅助电压传感器被布置用于测量代表在其上所述电流测量装置测量电流的导线的电压的辅助信号，在这种情况下处理单元包括被布置用于使电压测量与在所述电网络的相同导线上进行的电流测量相对应的相关性模块。

在第三实施变型中，电流测量装置还可以包括用于测量在所分析的网络的所述支路上的本地电压的电压传感器，在这种情况下，处理单元被布置用于本地地计算至少所述能量消耗，并将所述能量消耗与根据集中电压测量计算出的所述能量消耗相比较，以便估计在所述网络的线缆中的能量损失。

在第四实施变型中，测量设备可以包括连接到另一个待分析的电网络的至少一个其他电压测量装置，该其他电压测量装置通过所述通信链路被连接到主网络的所述电压测量装置。

以有利地方式，测量设备包括对应于待分析的电网络的支路数目N的N个专用电流测量装置，全部电流测量装置被连接到集中的所述电压测量装置。

有利地，该测量设备包括设置在所述单向通信对末端的至少一个线路端接装置，和设置在待分析的电网络支路上游的至少一个连接装置，并且所述至少一个连接装置被布置用于构成一方面所述测量装置与另一方面至少一个电源和监视单元之间的电接口。

附图说明

在下面以非限制性示例的方式给出的实施方式的描述中，参考附图，本发明及其优点将变得清楚。

-图1示意性地表示根据用于包括多个支路的电网络的本发明的全部测量设备的视图。

-图2为表示在时间标度上电压与电流测量采样的同步的示图。

-图3为表示被纳入到图1的测量设备中的电压测量装置与电流测量装置之间的供电及通信的不同链路的示意图。

-图4为被纳入到图1的测量设备中的一个电压测量装置与两个电流测量装置的原理图。

-图5为被纳入到图1的测量设备中的连接装置的原理图。

-图6A和6B示出图1的测量设备分别在三相网络上和在单相网络上的两个实施例。

-图7为图6A的三相网络的电压信号和由电流测量装置测量的辅助电压信号的示图，所述电流测量装置具有自动寻找最佳对应于所测量的备用电压的电压通道的相关性模块。

具体实施方式

参考附图并更具体地参考图1，根据本发明的测量设备1包括四个主要组件：

-电网络10的电压测量装置2，

-该网络10的支路11-N的一个或更多个电流测量装置3，每个支路为至少一个负载(未示出)供电，

-保证测量设备1与其外部环境的连接的连接装置4，诸如例如电源8、通信总线7等，和

-允许通过保证通信线路终端来确保信号传输质量的线路端接装置5。

该测量设备1可以作为或不作为更复杂系统的一部分，该更复杂系统尤其包括监视单元S和连接到通信总线7的一个或更多个其他装置A。该通信总线7允许根据所定义并标准化的通信协议以数字信号的形式传递信息。因此通信总线7可以由RS485类型的标准通信总线和JBUS/MODBUS类型或类似类型的通信协议构成，并且可以被直接地或经由英特网类型或类似类型的通信网络RC连接到监视单元S。所连接的其他装置A必须与所使用的通信协议兼容。以非限制性的示例方式，这些其他装置A可以包括能量耗量表、电网络的参数测量中心、保证与传感器的接口的模拟和/或数字输入及输出模块、自动装置、关断或类似的装置、温度传感器、压力传感器以及通常连接到现场总线的任何其他装置等。

有利地但非排他地，不同装置2-5通过网络线缆6的链接彼此串行连接。这些网络线缆6可以由标准化的标准网络线缆构成，典型地为UTP类别3网络线缆，由扭绞的四对组成，每对由一条围绕另一条螺旋缠绕的两条导线形成。当然，任何其他类型的网络线缆可以是合适的。因此，每个装置2-5设置具有八个位置和八个触点的两个连接器，按照图3和5，为输入端连接器60和输出端连接器61。这些连接器可以是标准化的、通常被称作RJ45连接器的标准连接器，其允许简单、快速地将不同装置彼此串行连接，这种连接类型通常被称作“菊花链”(“daisy chain”)。当然，与网络线缆兼容的任何其他类型的连接器可以是合适的。

如前面所提及的，在其中扭绞对的数目至少等于二的假设中，任何其他类型的网络线缆6可以是合适的。事实上，这些网络线缆6的好处是能够在相同线缆中传递多种类型的信号从而最大化地简化布线。因此测量设备1至少需要：

-第一扭绞对，用于保证以例如24V的低电压从网络为装置2-5供电，第一扭绞对在下文中被称作“供电对62”，和

-第二扭绞对，用于保证从电压测量装置2到电流测量装置3的电压信号的单向通信，第二扭绞对在下文中被称作“单向通信对63”。

如在附图上所表示的，测量设备1可以补充有第三扭绞对，第三扭绞对用于保证测量设备1的装置2-5与监视单元S之间的双向通信，第三扭绞对在下文中被称作“双向通信对64”。

在前面描述的使用具有四个扭绞对的网络线缆6的有利情况中，第四扭绞对(未在图上示出)可以被与供电对62并行地使用以便使供电能力加倍。

为了允许不同装置2-5经由该连通网络彼此通信，每个装置配备有RJ45类型的连接器60、61，该连接器匹配于被提供在网络线缆6端部的相同连接器。装置2-5还具有以与单向通信对63相关联的发送器65和接收器66的形式的数据传输部件，和与双向通信对64相关联的发送器/接收器71。图3表示通过网络线缆6经由连接器60、61彼此相连接的电压测量装置2和电流测量装置3。在附图中所示出的网络线缆6由三个扭绞对62、63、64表示。电压测量装置2包括来自于供电对62的电源8、连接到单向通信对63的用于向电流测量装置3发送所测量的电压信号的发送器65、和连接到双向通信对64的发送器/接收器71。并且电流测量装置3包括来自于供电对62的电源8、连接到单向通信对63的用于从电压测量装置2接收所测量的电压信号的接收器66、和连接到双向通信对64的发送器/接收器71。图5表示具有连接器80、连接器70的连接装置4，所述连接器80连接到网络的电源8以便为供电对62供电，所述连接器70连接到通信总线7以便通过由流电隔离72分开的两个发送器/接收器71将双向通信对64连接到通信总线7。由于线路端接装置5由已知且标准的元件构成，所述元件由永久地连接到通信对63和64的电阻组合形成，所以未示出线路端接装置5。线路端接装置5具有修改两个通信对63和64中的每个通信对的阻抗的功能，以便避免在网络线缆6上的反射波并因此保证良好的信号传输质量。

图4以框图的形式示出测量装置2和3的运行原理。

电压测试装置2尤其包括：

-模拟/数字转换器21，其将由电压传感器测量的电压模拟值(在图6A和6B上由点表示)变换为数字信号，以便将该数字信号传送到处理单元23，

-频率测量模块22，其测量所测量的电压的频率，以便将该频率传送到处理单元23，

-处理单元23，其处理所测量的电压信号和所测量的频率信号，以便通过发送器20将所处理的信号传送到网络线缆6的单向通信对63上，和

-可调振荡器24，其将采样频率提供给模拟/数字转换器21，并且其中采样频率被处理单元23根据由频率测量模块22提供的网络频率的测量而调整。

电流测量装置3中的每个电流测量装置3尤其包括：

-模拟/数字转换器31，其将由电流传感器测量的电流模拟值(在图6A和6B上由圈表示)变换为数字信号，以便将该数字信号传送到处理单元33，

-处理单元33，其利用由接收器30经由网络线缆6的单向通信对63接收的电压信号及频率信号处理所测量的电流信号，以便计算可被操作者和/或监视单元S利用的测量值，所述测量值诸如功率值、所消耗的能量值、功率因数值、电流谐波分析等，

-可调振荡器34，其将采样频率提供给模拟/数字转换器31，并且其中采样频率被处理单元33根据由相位差测量单元35提供的相位移的测量而调整，和

-相位移测量单元35，其从振荡器34和接收器30接收数据，以便与处理单元33通信并在需要时修改电流测量的采样频率。

更具体地，参考图1、6A和6B，电压测量装置2被安装在电网络10的支路11、12、13、N的上游，电网络10可以是多相(图6A或单相(图6B)。电压测量装置通过存在的允许发出代表所测量电压的信号的全部电压传感器，来进行在电网络10的相位P1、P2、P3导线和中性N导线(如果存在)上的电压V1、V2、V3、VN的测量，该电压传感器可以是接触式或非接触式的，诸如直流电压接头、电容传感器、电场传感器之类。

电流测量装置3分别被安装在电网络10的支路11、12、13、N上，并进行在电网络10的每个相位P1、P2、P3导线上的电流I的测量。可以通过存在的允许发出代表所测量电流的信号的全部电流传感器来进行电流的测量，电流传感器诸如例如图6A和6B所示出的电流变换器、罗氏线圈(Rogowski Coil)、以诸如霍尔效应(Hall effect)或磁通门类型磁力计之类的磁场测量为基础的传感器，或类似传感器。

通过采样来定期地进行电压和电流测量，以便将可利用信息的帧数字地发送到网络线缆6的单向通信对63上。图2允许示出本测量方法，该测量方法的目的为达到电压样本和电流样本之间的相对于已知系统的非常高的同步程度。该示图最上方的线表示电压测量装置2的活动，该示图最下方的线表示电流测量装置3的活动以及该示图中间的线表示在单向通信对63上所传递的电压样本。

电压测量的采样频率由振荡器24确定，并且有利地但非必须地，该电压测量的采样频率根据待分析的电网络10的频率而被控制，例如等于50Hz。这种控制在必须同时进行所测量的电压及电流的谐波分析的情况下特别有利，因此有利地频率模块22将网络的频率测量传送到处理单元23，处理单元23允许通过调整振荡器24来调整采样频率。

电压测量装置2在Tv,n时刻对电压采样，并按相对于电压采样时刻Tv,n的固定发送延迟R将持续时间D的信息帧发送到网络线缆6的单向通信对63上，该网络线缆6的单向通信对63经由发送器20和接收器30将电压测量装置2连接到电流测量装置3。

同时地，电流测量装置3在T_I,n时刻对电流采样，所有电流测量装置3在相同时间(除了在网络线缆6中的传播延迟)接收电压测量装置2的信息帧。电流测量装置3还设置有用于确定在处理单元33中电压样本信息帧的接收时刻T_rec,n的部件。

优选地但非排他地，电压样本数据帧的接收时刻T_rec,n对应于信息帧的最后状态变化，即其传输的结束。知道信息帧的持续时间D，该持续时间D通常为电流测量装置3已知的数据，电流测量装置3计算电压采样时刻T_v,n与相对应的电流采样时刻T_i,n之间的间隔ΔT_n。该ΔT_n根据以下来估计：

ΔT_n＝T_I,n-T_v,n＝T_I,n-T_rec,n+R+D

如果ΔT_n为正，如在图2上所示出的，那么其表示电流采样相对于电压采样有延迟，并且因此必须加速电流采样的频率以便减小该延迟。相反地，如果ΔT_n为负，那么必须减小电流采样的频率。以优选的方式，借助集成到处理单元33的比例/积分类型的校正器根据由相位移模块35提供的数据来计算采样频率的调整。因此处理单元33控制将按由处理单元33规定的采样频率振荡的可调振荡器34。

为了保证在电压样本信息帧的开始与结束之间的持续时间D是固定的，信息帧可以总是以消息结束比特终止。该方法特别合适于现代化微控制器的使用，该现代化控制器包括通常被称作UART的快速异步串行接收器、通常被称作DMA的将数据直接转移到存储器的直接转移系统，以及持续时间测量单元。还可以通过将信息帧的持续时间D这条信息包括到帧自身来知道信息帧的持续时间D，因此允许变化的持续时间的帧。然而，在这种情况下，在处理单元33中的信息处理因此更加复杂并可以导致要使用比所需微控制器更加有能力的微控制器。

每个电流测量装置3于是根据通过单向通信对63从电压测量装置2接收的电压样本以及在几乎同样时刻本地获得的电流样本，进行功率、能量等的计算，如同所述计算是在电流及电压样本全部是通过传统的组合测量装置以本地同步的方式来获得的情况下进行的。因此，从监视单元的角度来看，测量设备1与直接测量在网络的每个相位上的电压和电流的传统组合测量装置没有区别。

这种架构的好处是多重的：

-所需的计算能力根据待处理电流电路的实际数目被分摊，

-电流测量装置3可以被定位在尽可能靠近待分析的负载处，因此减小传感器与测量装置之间的布线长度，这保证了对电磁干扰的最佳抗干扰性，和

-布线的实现及控制被大幅简化。

当然，采样频率被调整适于谐波分析的带宽，其通常为2kHz到3kHz的数量级。示意地，采样频率的范围可以包括在1kHz与20kHz之间，采用1μs数量级的调节精度ΔT_n。5kHz到10kHz数量级的采样频率是合理的。在更基础的应用中，可以考虑2kHz数量级的采样频率，允许包括到约750Hz的谐波。

为了保持良好的测量精度，必须以足够的分辨率发送电压样本。为了简化处理，通常选择整字节数目用于数据的表示，这导致优选地在8比特或16比特上表示电压。但是还可以考虑中间表示大小以便优化单向通信对63的带宽的使用。

根据所考虑的应用的需求，还可以选择发送相位电压与中性电压之间的电压值(无论该中性电压是测量的还是虚拟的)，或者相对于电网络的参考电位的相位电压及中性电压，该参考电位通常但非必须是设施的地。

在下文中，将涉及使用相对于参考电位的电压的传输，允许分析到约3kHz的谐波以及在16比特上表示电压数据的应用。然而，根据所考虑的应用，可以进行其他选择。

传输具有中性线的三相网络10(图6A)相对于参考电位的电压样本所需的带宽表示640kbit/s数量级的数据毛量，即每采样时刻四个电压值、具有在16比特上的表示以及10kHz的采样频率、与3kHz的带宽兼容。为了保证在传输中一定的可靠性，通常再增加控制信息，例如在一个字节上的序列号和在一个字节上的校验和，这导致800kbits/s数量级的毛比特率。不同装置2-5的运行是异步的，优先使用异步类型的链路，其特征是在每个字节上存在至少一个起动比特和一个停止比特，这使得链路比特率约达1Mbits/s。目前，通过使用符合RS485规范的专用集成电路和能够以有效的方式处理该性质的比特率的低成本高性能微控制器，以较低成本达到该比特率是容易的，同时允许网络线缆6的单向通信对63的总长度大于100m。然而根据应用，可考虑通过减小电压样本的大小，例如从16比特到8比特，或者通过减小采样频率，或者甚至组合这两个方案来减小所述比特率以便增大允许用于单向通信对63的距离。为了稍稍限制带宽或者减小与电压样本的接收有关的实时负载，还可以按N个采样时刻的分组发送样本，N的值为1至数10。然而，N的值越高，系统对采样频率改变的反应将越慢。

在这样的测量设备1中，与网络配置及设备配置有关的一些附加信息是需要被所连接的全部装置2-5所知道的，这些附加信息非限制地例如，网络10的额定电压、网络10的额定频率、网络的连接类型：具有或不具有中性线、网络的类型：单相或三相等。有利地，在与发送电压样本的单向通信对63相同的单向通信对63上发送这些附加信息。此外，能够使电压测量样本与电流测量样本同步以方便对其进行分析是有利的。这些称作同步信号的同步信息也有利地在该相同的单向通信对63上被发送。所述同步信号可涉及有效值测量与功率测量的同步脉冲、事件捕获脉冲。事件意指波形，波形可以是一系列电流值样本或者一系列电流有效值，使得全部电流测量装置3在相同的时间间隔上进行有效值和功率的测量，并在相同的时间间隔上捕获全部波形。总之，如果电压测量装置2设置有时钟，那么日期和小时同样被有利地发送到该相同的单向通信对63上。

考虑到用于在单向通信对63上的电压样本传输的相对高的比特率以及所预计的布线长度(数十米)，控制该布线的拓扑布局是必要的，该拓扑布局应当呈现出具有长度尽可能短的连接线的总线类型的形状。这就是本发明优选通过网络线缆6和如上述的合适的连接器60、61来将装置2-5彼此简单链接的原因。

然而，在第一实施变型中，可以仅将电源和专用于电压样本传输的快速单向通信集合在相同的网络线缆6中。在这种情况下，标准化的双向通信链路使用分开的布线。如果双向通信链路所要求的电特征与专用于电压样本的单向通信链路所需要的电特征区别很大，那么该方法是有利的。在这种情况下，双向通信链路与电源以及在每个电流测量装置3中的电压样本的单向通信链路电流隔离。将选择供电电压，使得供电电压足够小以允许实现非隔离、密集并足够高以便允许在网络线缆6上传递合理功率的供电，同时允许电源连接点与装置2-5之间的距离在100m数量级。24V的电源额定电压构成良好的折衷，但是可考虑与前面的准则兼容的全部电压。

在第二实施变型中，通过在相同的网络线缆6中组合将装置2-5彼此相连的全部功能来最大化地简化布线，即组合低电压电源、标准化的双向通信链路和专用于电压样本传输的单向通信链路。因此三对导线62、63、64是必需的。但是由于最普遍的UTP类型的网络线缆6包括四对导线，因此如上述优选地选择这种配置。在这种情况下，电供应可以在两个导线对上被传递，这允许加倍可传输的功率。因此，在设备1的每个装置2-5中不再必需电源与双向通信链路之间的电流隔离。仅在单一点必需该电流隔离72，即在保证测量设备1与监视单元S之间的电接口的连接装置4中。以此种方式，测量设备1没有问题地处于存在的监视系统中。

工业应用的可能性：

传输相位P1、P2、P3与中性N之间的电压测量还是传输相位P1、P2、P3之间的电压测量的选择取决于所考虑的应用，其中所述中性充当参考电位。相对于参考电位的电压测量的传输允许始终通过差值来找到全部有用的电压，但是占据稍多的带宽。特别地，应用利用相对于参考电位(为电网络的地)的电压测量的传输。这涉及寻找在隔离的中性状态中的隔离故障。在该类型的应用中，附加装置(未示出)允许在网络10中注入具有远小于网络频率的频率的称作定位电流的接地故障电流。该附加装置可以例如是具有电流限制的电压发生器。还可以主动地创建网络与地之间的故障用于迫使故障电流流通。因此存在不同技术用于注入或创建接地故障电流，该接地故障电流将根据每个支路各自的故障阻抗趋向于分散在网络的全部支路之间。

如果电流测量装置3被设计用于接收来自差动式接地电流传感器(通常称作定位环)的信号，在这种情况下，根据在相位P1、P2、P3的活跃导线中的任意一根导线上的相对于地的电压测量，所述电流测量装置3可以确定接地泄漏阻抗以及接地泄漏电流。在该具体应用中，根据所测量网络的频率来控制采样频率是特别有利的。事实上，使用可变中频的简单滤波器允许将在网络频率及在该频率倍数频率的信号完全排除以便确定接地泄漏阻抗，所述在网络频率及在该频率倍数频率的信号通常相对于所使用的极低频率的信号具有大幅度。

传输相对于参考电位的电压测量的另一个优点，在于即使在不具有任何负载电流的情况下，自动检测在网络10的哪个相位P1、P2、P3上接有电流测量装置3的电流传感器的可能性。只要电流测量装置3提供忠实地再现所监视的相位导线的电压形状的辅助电压信号，那么该自动检测就是可能的。为了该自动检测功能，辅助电压Vaux信号不能超过相对于网络频率若干度的量级的最大相位移，而其幅度并不重要。该辅助电压Vaux信号可以由非接触式电压传感器(未示出)获得(特别地，在幅度上不精确)，如电容性耦合或电场测量。在这些条件下，配备有这种电压传感器的电流测量装置3包括相关性模块(未示出)，该相关性模块允许通过寻找连接到处理单元的额定电压V1、V2、V3中的哪个电压具有与辅助电压Vaux信号最大的相关性，来自动检测对应于电流传感器的电压通道是哪个。图7的示图以举例的方式示出辅助电压Vaux信号与对应于在上面安装了电流传感器的电网络10的相位P1的电压V1的通道之间存在的相关性，该辅助电压信号由集成在电流测量装置3中的电压传感器获得。以相同的方式，该相关性方法对其他相位P2和P3执行。

根据本发明的测量设备1还可以具有估计网络线缆的能量损耗的功能。在这种情况下，电流测量装置3包括用于测量在所分析的网络支路上的有效本地电压的附加电压传感器(未示出)，诸如直流电压接头之类。处理单元33可以本地地计算能量消耗并将该能量消耗与根据集中电压测量计算出的能量消耗相比较，这以便估计在所述网络的线缆中的能量损耗。

根据本发明的测量设备1的另一个应用涉及备用电网络的情况，诸如例如发电机组之类，备用电网络被提供用于在故障的情况下替代主电网络。在这种情况下，测量设备1补充有连接到备用网络(未示出)并由网络线缆6连接到主网络的电压测量装置2的另一个电压测量装置2，以便向该另一个电压测量装置2发送由第一电压测量装置2获得的电压测量样本，或相反向进行。处理单元23允许在幅度和相位上比较两个网络，比较的目的为在这些差别足够小从而允许无中断地从一个网络转换到另一个网络时，将两个网络连接起来。在该配置中，专用于备用网络的电压测量装置可以变为主电压测量装置并向电流测量装置3提供所必需的电压样本。

由本描述清楚可见，本发明允许达到设定的目的，即实施特别简单的电网络10的支路消耗的测量设备1，该测量设备1能够集成到存在的监视系统中，被配置以达到极高的测量精度并被配置以根据所考虑的应用提供使用的灵活性。

本发明不限制于所描述的实施例，而且延伸到对于本领域技术人员而言清楚的全部修改和变型，而依然处于所附权利要求定义的保护范围内。

Claims (28)

1.一种电网络(10)的支路(11、12、13、N)的能量消耗的测量方法，在该方法中借助连接在网络的支路上游的单一电压测量装置(2)，以集中的方式测量所述网络的电压，借助专用电流测量装置(3)测量在网络的支路中的至少一个支路上的电流，经由通信链路将所述电压测量传送至所述电流测量装置(3)，以及在所述电流测量装置(3)中至少计算所分析的网络的所述支路的所述能量消耗，其特征在于，借助所述单一电压测量装置(2)通过在时刻T_v，n以第一采样频率对电压采样进行所述网络的电压测量，在电压采样时刻T_v，n经由通信链路向所述电流测量装置(3)发送电压样本，借助专用电流测量装置(3)通过在时刻T_i，n以第二采样频率对电流采样进行网络的支路的电流测量，鉴于所述电压测量装置(2)与所述电流测量装置(3)以异步方式运行所以比较电压采样时刻T_v，n与电流采样时刻T_i，n之间存在的间隔，以及将至少一个采样频率相对于另一个采样频率做调整以使电压采样时刻T_v，n与电流采样时刻T_i，n之间存在的间隔引向零。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电压测量装置(2)在电压采样时刻T_v，n使用持续时间D的信息帧将电压样本发送到通信链路上；电流测量装置(3)接收这些电压样本并检测所述信息帧的接收结束时刻T_rec，n；电流测量装置(3)计算电压采样时刻T_v，n；电流测量装置(2)计算电流采样时刻T_i，n与电压采样时刻T_v，n之间的间隔ΔT_n；以及电流测量装置(3)调整其自己的采样频率以便通过在间隔ΔT_n为正的情况下增大采样频率和在间隔ΔT_n为负的情况下减小采样频率来将该间隔引向0。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述电压测量装置(2)使用已知持续时间D的信息帧，按相对于电压采样时刻T_v，n的固定延迟R将电压样本发送到通信链路上；电流测量装置(3)根据已知数据D和R按照公式：T_v，n＝T_rec，n-D-R计算电压采样时刻T_v，n；以及电流测量装置(2)按照公式

ΔT_n＝T_i，n-T_v，n＝T_i，n-T_rec，n+D+R

计算电流采样时刻T_i，n与电压采样时刻T_v，n之间的间隔ΔT_n。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，使用所述通信链路用于从所述电压测量装置(2)向所述电流测量装置(3)发送从包括以下附加信息的组中选择的附加信息：单相或三相网络的类型、具有或不具有中性线、网络的额定电压、网络的额定频率、日期和小时、有效值测量和功率测量的同步脉冲、事件捕获信号。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过N个样本的分组来发送所述电压测量样本。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，选择固定的电压测量采样频率。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，根据所分析的电网络(10)的频率控制电压测量采样频率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量方法，其特征在于，以数字的形式将电压测量样本发送到连接到所述电流测量装置(3)的网络线缆(6)上，该网络线缆(6)包括称作单向通信对(63)的至少一个第一导线对。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，使用相同的网络线缆(6)用于在称作供电对(62)的第二专用导线对上向所述测量装置(2、3)提供电源。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，使用相同的网络线缆(6)用于通过称作双向通信对(63)的第三专用导线对来将所述测量装置(2、3)连接到监视单元(S)。

11.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量所述电网络(10)的相对于由所述网络的地构成的参考电位的电压；将接地故障电流注入到所分析的网络中；测量所注入的故障电流；以及确定所述所分析的网络的至少一个支路的接地泄漏阻抗。

12.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电流测量装置(3)提供代表在上面测量电流的导线的电压的辅助信号，所述辅助电压信号被用于使电压测量与在所述电网络(10)的相同导线上进行的电流测量相对应，并自动补偿接线错误。

13.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电流测量装置(3)还测量在网络的所述支路上的本地电压以便本地地计算至少所述能量消耗，并将所述能量消耗与根据集中电压测量计算出的所述能量消耗相比较，以便估计在所述网络中的能量损耗。

14.根据权利要求1至7中任一项所述的测量方法，其特征在于，使用连接到另一个待分析的电网络的至少一个其他电压测量装置(2)；在所述通信链路上，向电压测量装置(2)中的一个电压测量装置发送由另一个电压测量装置(2)获得的电压测量样本；以及在幅度上和在相位上比较所分析的两个电网络的区别以便在所述区别足够小时将两个网络连接起来。

15.根据权利要求14所述的测量方法，其特征在于，在两个电网络(10)被连接起来的情况下，电压测量装置(2)中的任意一个控制通信链路并被用于测量所对应网络的电压。

16.一种实施根据前述权利要求中任一项所述的测量方法的电网络(10)的支路(11、12、13、N)的能量消耗的测量设备，该设备包括：连接在待分析的网络的支路上游的用于以集中的方式测量所述网络的电压的单一电压测量装置(2)，连接在网络的支路之一上的用于测量在网络的所述支路上的电流的至少一个专用电流测量装置(3)，所述测量装置(2、3)通过至少一个通信链路彼此相连接，所述通信链路允许将所述电压测量传送到所述电流测量装置(3)，所述电流测量装置(3)包括用于计算所分析的网络的所述支路的所述能量消耗的至少一个处理单元(33)，其特征在于，所述单一电压测量装置(2)包括用于通过在时刻(T_v，n)以第一采样频率对电压采样来进行网络的所述电压测量的部件(21、24)；所述电压测量装置(2)包括用于在电压采样时刻(T_v，n)经由通信链路向所述电流测量装置(3)发送电压样本的部件；所述专用电流测量装置(3)包括用于通过在时刻(T_i，n)以第二采样频率对电流采样来进行网络的支路的所述电流测量的部件(31、34)；鉴于所述电压测量装置(2)与所述电流测量装置(3)以异步方式运行，用于比较电压采样时刻(T_v，n)与电流采样时刻(T_i，n)之间存在的间隔的部件(35)；以及所述电压测量装置(2)和电流测量装置(3)包括用于将至少一个采样频率相对于另一个采样频率做调整以使电压采样时刻(T_v，n)与电流采样时刻(T_i，n)之间存在的间隔引向零的部件(23、33)。

17.根据权利要求16所述的测量设备，其特征在于，所述电压测量装置(2)包括至少一个可调振荡器(24)、频率模块(22)和至少一个处理单元(23)，所述至少一个可调振荡器(24)被布置用于定义电压测量的所述采样频率，所述频率模块(22)被布置用于测量所分析网络的所述频率，所述至少一个处理单元(23)被布置用于处理至少所述电压样本和所述网络的频率测量，所述可调振荡器(24)被所述处理单元(23)控制。

18.根据权利要求16所述的测量设备，其特征在于，所述电流测量装置(3)包括至少一个可调振荡器(34)、至少一个处理单元(33)和相位移模块(35)，所述至少一个可调振荡器(34)被布置用于定义电流测量的所述采样频率，所述至少一个处理单元(33)被布置用于根据通过通信链路接收的电压样本和在所述支路上测量的电流样本来计算至少由网络的所述支路消耗的能量，所述相位移模块(35)被布置用于测量电压采样时刻(T_v，n)与电流采样时刻(T_i，n)之间存在的间隔，并被布置用于控制所述可调振荡器(34)以便调整电流测量采样频率从而使电流测量采样频率同步于电压测量采样频率。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述通信链路由称作单向通信对(63)的至少一个导线对构成，所述至少一个导线对被提供在网络线缆(6)中用于以数字形式发送电压样本；所述网络线缆(6)被布置用于通过合适的连接器(60、61)将所述集中电压测量装置(2)连接到所述专用电流测量装置(3)。

20.根据权利要求19所述的测量设备，其特征在于，所述网络线缆(6)包括称作供电对(62)的第二专用导线对，所述第二专用导线对被布置用于向所述测量装置(2、3)提供电源。

21.根据权利要求19所述的测量设备，其特征在于，所述网络线缆(6)包括称作双向通信对(63)的第三专用导线对，所述第三专用导线对被布置用于将所述测量装置(2、3)连接到监视单元(S)。

22.根据权利要求19所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括用于将接地故障电流注入到所分析的网络中的部件；所述电流测量装置(3)包括被布置用于测量所述接地故障电流的传感器；以及所述处理单元(33)被布置用于根据通过单向通信对(63)接收的电压样本和本地测量的接地泄漏电流样本来确定所分析的所述网络的所述支路的接地泄漏阻抗。

23.根据权利要求18所述的测量设备，其特征在于，所述电流测量装置(3)包括辅助电压传感器，所述辅助电压传感器被布置用于测量代表在上面所述电流测量装置(3)测量电流的导线的电压的辅助信号；以及所述处理单元(33)包括被布置用于使电压测量与在所述电网络(10)的相同导线上进行的电流测量相对应的相关性模块。

24.根据权利要求18所述的测量设备，其特征在于，所述电流测量装置(3)还包括用于测量在所分析的网络的所述支路上的本地电压的电压传感器；以及所述处理单元(33)被布置用于本地地计算至少所述能量消耗，并将所述能量消耗与根据集中电压测量计算出的所述能量消耗相比较，以便估计在所述网络的线缆中的能量损失。

25.根据权利要求16至18中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括连接到另一个待分析的电网络(10)的至少一个其他电压测量装置(2)；以及该其他电压测量装置(2)通过所述通信链路被连接到主网络的所述电压测量装置(2)。

26.根据权利要求16所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括与待分析的电网络(10)的支路数目N相对应的N个专用电流测量装置(3)，全部电流测量装置(3)被连接到集中的所述电压测量装置(2)。

27.根据权利要求19所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括设置在所述单向通信对(63)的末端的至少一个线路端接装置(5)。

28.根据权利要求16所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括至少一个连接装置(4)，所述至少一个连接装置(4)设置在待分析的电网络支路上游，并且被布置用于构成在一方面是所述测量装置(2、3)与另一方面是至少一个电源(8)和监视单元(S)之间的电接口。