CN111693764A - 三相功率计 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及三相功率计。三相功率计可以监测三线和四线电力线上的功率。功率计测量在电力线的相导体之间的至少两个电压，并且在中性导体可用时测量在电力线的相导体和中性导体之间的至少一个电压。使用至少一些测定的电压，功率计然后可以在耦合到三线电力线时在第一模式下操作，以基于测量的电压确定电力线上的功率，或者在耦合到四线电力线时在第二模式下操作，以基于测量的电压确定电力线上的功率。

Description

三相功率计
技术领域
本发明涉及一种用于监测三相电力线上的功率的功率计。
背景技术
在电力系统中，电源可以通过三相电力线将电力输送到负载。通常，有两种类型的三相电力线：三相四线电力线(也称为“星形”或“wye”配置)和三相三线电力线(也称为“Δ”配置)。四线电力线包括三个相导体A、B和C、以及中性导体N。三线电力线包括三个相导体A、B和C，而没有中性导体N。
功率计在监视四线或三线电力线上的功率时可以采用布朗德尔定理。用于监视四线电力线的功率计可以包括电路以用于参考中性导体来测量三个相导体的每个上的电压以及每个相导体上的电流，从而确定功率。用于监视三线电力线的功率计可以包括：电路以用于参考第三相导体来测量两个相导体上的电压和两个相导体上的电流，从而确定功率。
因此，由于不同的电压和电流测量要求，功率计制造商会为每种类型的电力线制造具有不同电路的不同功率计。这导致高的制造和生产成本。
发明内容
本公开提供用于监测三线和四线电力线上的功率的三相功率计。功率计测量在电力线的相导体之间的至少两个电压，并且在中性导体可用时测量在电力线的相导体和中性导体之间的至少一个电压。使用至少一些测定的电压，功率计然后可以在耦合到三线电力线时在第一模式下操作，以基于测量的电压确定电力线上的功率，或者在耦合到四线电力线时在第二模式下操作，以基于测量的电压确定电力线上的功率。
在本公开的第一方面，提供三相功率计，包括前端电路(FEC)。FEC被配置为耦合到包括多个导体的三线或四线三相电力线。FEC还被配置为生成指示各个导体对之间的电压的多个信号。功率计还包括处理单元。处理单元耦合到FEC，并被配置为接收所述多个信号和确定所述三相电力线的功率。功率计被配置为在第一模式下操作以确定三线三相电力线的功率，并且在第二模式下操作以确定四线三相电力线的功率。
在本公开的第二方面，提供用于三相功率计中的前端电路(FEC)。FEC被配置为耦合到包括多个导体的三线或四线三相电力线，并生成指示所述三相电力线的各个导体对之间的电压的多个信号，使得所述三相功率计可以确定在第一模式下的三相三线电力线的功率，并确定在第二模式下的三相四线电力线的功率。
在本公开的第三方面，提供一种使用三相功率计来确定三线或四线三相电力线的功率的方法，三相电力线包括多个导体。该方法包括下列步骤：使用处理单元接收指示各个导体对之间电压的多个信号；确定该三相功率计是耦合到三线电力线还是四线电力线；使用所述处理单元对所述多个信号进行处理，以确定所述三相电力线上的功率，其中处理所述多个信号的方式取决于所述功率计是连接到三线还是四线电力线。
在本公开的第四方面，提供处理单元，布置为执行本发明的第三方面所述的方法。
根据以下描述和所附权利要求，本公开的其他特征、实施例、示例和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的三相电力线计量环境和三相功率计；
图2示出了根据本公开实施例的三相功率计的前端电路(FEC)。
图3示出了根据本公开实施例的三相功率计的处理单元。
图4示出了根据本公开实施例的三相功率计的操作流程图。
图5示出了根据本公开实施例的处理单元的组件；
图6(a)-(c)示出了三相电力线的概念图。
图7示出了根据本公开的另一实施例的三相功率计的前端电路(FEC)。
具体实施方式
在一种方法中，将单独的功率计用于监视3相4线和3相3线电力线。这是由于使用不同的电压测量值对每种类型的电力线进行了功率计算。三相4线线路的功率计算使用相对于中性导体N在每个相导体A、B、C处测得的电压。例如在图6(a)中进行了说明。尽管每个电力线导体上的电压是随时间变化的，但相导体A、B、C和零线N之间的电压瞬时值表示为VAN、VBN、VCN。因此，可以将三相4线功率计专门配置为测量电压VAN、VBN、VCN。
三相3线线路的功率计算使用相对于另一相导体在两个相导体处测得的电压。例如，对于三相3线线路的功率计算，可以使用在相导体A、C处相对于其余相导体B测得的电压。例如，这在图6(b)中进行了说明，其中VAB和VCB分别表示相导体A和B、C和B之间的瞬时电压。因此，可以将三相3线功率计专门配置为测量电压VAB和VCB。三相3线电表可以类似地通过参考相导体A测量相导体B、C处的电压或参考相导体C测量相导体A、B处的电压来确定功率。
在任何情况下，用于3线和4线电力线的功率计都需要不同的电路和硬件来测量用于各自功率计算的完全不同的电压组(VAN/VBN/VCN或VAB/VCB)。因此，制造商针对3线和4线方案生产单独的功率计。
本公开涉及一种三相功率计，其可以用于监视三相3线电力线和三相4线电力线。特别地，本公开的功率计被配置为测量跨越电力线导体的电压的组合，该电压的组合可用于确定3线和4线方案中的三相电力线的功率。功率计被配置为随后以3线模式操作以基于测量的电压来确定电力线上的功率，或者以4线模式操作以基于测量的电压来确定电力线上的功率。
本公开的功率计布置成相对于剩余的相导体B(VAB和VCB)测量相导体A、C处的电压。此外，功率计还被布置为在中性导体可用时测量相导体B和中性导体N(VBN)之间的电压。这例如在图6(c)中示出。功率计还测量每相导体上的电流。
当功率计耦合到三线电力线时，功率计可以在第一模式下操作并且基于电压VAB和VCB确定功率。在这种情况下，中性导体没有连接到功率计，因此不使用电压VBN，类似于图6(b)。尽管如此，在确定3线方案中的功率时，电压VBN并不是必需的。
当功率计耦合到4线电力线时，功率计可以在第二模式下操作以基于电压VAB、VCB和VBN确定功率。在这种情况下，将中性导体连接到功率计，并使用电压VBN。根据瞬时电压VAB、VCB和VBN，功率计首先确定瞬时电压VAN和VCN。可以将VAN确定为VAN＝VAB+VBN。可以将VCN确定为VCN＝VCB+VBN。然后，功率计可以使用测量的电压VBN以及确定的电压VAN和VCN来确定4线线路上的功率，类似于图6(a)。
因此，本公开提供了一种可以在3线和4线方案中使用的功率计。功率计无需在每种情况下测量完全不同的电压组。而是，功率计配置为测量电压VAB、VCB、VBN，如图6(c)所示，并使用这些电压中的至少一些电压基于其工作模式确定功率。有利地，本发明的功率计允许减少制造、产品管理和存储成本，这与为每个3线和4线方案生产两个单独的功率计相关。
以下更详细地描述本公开的实施例。
图1示出了根据本公开的实施例的三相功率计100。
仪表100被布置用于耦合到三相电力线。如图1的示例所示，三相电力线110可包括相导体A、B和C以及中性导体N。这也被称为三相4线电力线。仪表100可以在电源120和负载130之间耦合到三相电力线110。电力线的相导体是向负载传递电流和功率的导体。对于4线电力线，中性导体通常是负载的公共参考点，可以在负载处接地。
仪表100包括用于耦合到三相电力线110的多个端子101A、102A、101B、102B、101C、102C、101N和102N。可以将多个端子101A、101B、101C和101N视为输入端子，并且端子102A、102B、102C和102N可以被认为是输出端子。
输入端子101A、101B、101C和101N被布置成从三相电力线110的源极120侧接收并耦合到各个导体。端子101A被布置成从三相电力线110的源极120侧接收相导体A。此外，端子101B布置成接收相导体B，端子101C布置成接收相导体C，端子101N布置成从三相电力线110的源极120侧接收中性导体N。
输出端子102A、102B、102C和102N被布置成从三相电力线110的负载130侧接收并耦合到各个导体。端子102A被布置成从三相电力线110的负载130侧接收相导体A。此外，端子102B布置成接收相导体B，端子102C布置成接收相导体C，端子102N布置成从三相电力线110的负载130侧接收中性导体N。
因此，仪表100可以在电源120和负载130之间的三相电力线110上的一点处连接到电力线110。此外，如下面更详细地说明的，仪表100被布置为使得当仪表100连接到电力线110时，允许电源120和负载130之间的每个导体A、B、C和N上的电流IA、IB、IC、IN流过。仪表100连接到电源线110。将仪表100连接到电力线110可以包括如上所述在每个导体中产生断口并且将断开的导体的每一侧耦合到仪表100。
在图1的示例中，三相电力线110显示为具有三相导体A、B和C，以及中性导体N。这也称为三相四线电力线或“星型”或“wye”配置。仪表100还可以耦合到具有三相导体A、B和C并且没有中性导体N的三相电力线，否则称为三相3线电力线或“三角形”配置。在三相3线的情况下，端子101A、102A、101B、102B、101C、102C可以如上所述地耦合到相导体。然而，由于不存在中性导体，端子101N和102N可保持未耦合或悬空。
图2示出了根据本公开实施例的三相功率计100的前端电路(FEC)200。FEC 200被布置成经由仪表100的端子与电力线110耦合或对接。FEC200被布置成输出指示电力线的导体之间的电压的信号，并指示电力线的导体上的电流的信号。如以下更详细描述的，FEC200被配置为以适合于由处理单元测量的电压电平提供输出信号。
FEC 200包括多个电流传感器240、250和260。每个电流传感器240、250和260布置在仪表100的输入和输出端子的相应对之间。每个电流传感器布置成输出指示在仪表100的各个输入和输出端子之间流动的电流的电压信号。
电流传感器240布置在输入端子101A和输出端子102A之间。电流传感器240允许在输入端子101A和输出端子102A之间的电流IA，使得在输入端子101A和输出端子102A之间的电流IA被电流传感器240不中断。因此，当端子101A和102A耦合到三相电力线的相导体A时，从电源120通过导体A和电表100并到达负载130的电流IA将不会被中断。
电流传感器240包括输出节点241和242。电流传感器240被配置为响应于在端子101A和102A之间流动的电流IA产生跨输出节点241和242的电压信号VIA'。这样，输出节点241和242上的电压信号VIA'指示在端子101A和102A之间流动的电流IA。此外，当仪表100如图1所示或其他方式耦合至三相电力线时，电流IA对应于流经电力线的相导体A的电流。因此，跨输出节点241和242的电压信号VIA'可以指示流过相导体A的电流IA。
电流传感器250布置在输入端子101B和输出端子102B之间。电流传感器250基本上对应于上述电流传感器240。这样，输出节点251和252之间的电压信号VIB'指示在端子101B和102B之间流动的电流IB。此外，当仪表100如图1所示或其他方式耦合到三相电力线时，电流IB对应于流过电力线的相导体B的电流。因此，跨输出节点251和252的电压信号VIB'可以指示流过相导体B的电流IB。
电流传感器260布置在输入端子101C和输出端子102C之间。电流传感器260基本上对应于如上所述的电流传感器240和250。这样，输出节点261和262之间的电压信号VIC'指示在端子101C和102C之间流动的电流IC。此外，当仪表100如图1所示或其他方式耦合到三相电力线时，电流IC对应于流过电力线的相导体C的电流。因此，跨输出节点261和262的电压信号VIC'可以指示流过相导体C的电流IC。
在一些实施例中，电流传感器240、250和260可以包括电流互感器。在这样的实施例中，每个电流互感器可以定位在FEC 200的各个端子之间的导体周围。特别地，每个电流互感器可以包括缠绕在环形芯上的线圈绕组。环形芯可以围绕FEC 200的各个端子之间的导体定位。例如，电流传感器240可以包括位于端子101A和102A之间的导体周围的电流互感器，电流传感器250可以包括位于端子101B和102B之间的导体周围的电流互感器，电流传感器260可以包括电流互感器位于端子101C和102C之间的导体周围。电流传感器的输出节点处的电压信号可以是线圈绕组的两端之间的电压。例如，输出节点241和242之间的电压信号VIA'可以是电流传感器240的线圈绕组的末端之间的电压，输出节点251和252之间的电压信号VIB'可以是电流传感器250的线圈绕组的端部之间的电压，并且输出节点261和262之间的电压信号VIC'可以是电流传感器260的线圈绕组的末端之间的电压。在一些实施例中，每个电流传感器的电流互感器可以是罗格夫斯基线圈。
在以上描述中，已经将电流传感器240、250和260的电流互感器描述为布置在FEC200内部、围绕端子101和102之间的导体。在一些实施例中，电流互感器可以直接耦合在三相电力线的相导体周围。例如，参照图1，电流互感器可以直接耦合在电表100外部的每个相导体A、B、C周围。在任何情况下，电流互感器都可以耦合在耦合有各自的电流IA、IB和IC的任何导体周围，以感应这些电流。
在进一步的实施例中，电流传感器可以各自包括分流电阻器。在这样的实施例中，每个分流电阻器可以串联布置在仪表100和FEC 200的各个端子之间。例如，电流传感器240可以包括在端子101A和102A之间的分流电阻器，电流传感器250可以包括在端子101B和102B之间的分流电阻，并且电流传感器260可以在端子101C和102C之间包括分流电阻器。电流传感器的输出节点处的电压信号可以是各个分流电阻器两端的电压。例如，输出节点241和242之间的电压信号VIA'可以是电流传感器240的分流电阻器两端的电压，输出节点251和252之间的电压信号VIB'可以是电流传感器250分流电阻两端的电压，输出节点261和262之间的电压信号VIC'可以是电流传感器260的分流电阻器两端的电压。每个分流电阻器可以是小的值。例如，分流电阻器的范围可以从100μl到几mΩ。可以使用已知技术，根据电力线的电流和功率消耗极限，将分流电阻器选择为任何合适的值。
在其他实施例中，电流传感器可以包括霍尔电流传感器，用于感测每个相导体上的电流。本领域中已知的任何其他类型的电流传感器也可以用于产生指示电流IA、IB、IC的电压信号VIA'、VIB'和VIC'。
如图2所示，在中性端子101N和102N之间没有设置电流传感器。相反，中性端子101N和102N被直接短路。因此，当仪表被耦合到具有中性导体的三相电力线时，仪表可以允许端子101N和102B之间的电流IN流入，并且因此允许电流IN流过三相电力线的中性导体N。在一些实施例中，仪表100可以布置成感测中性电流IN，这将在下面更详细地说明。
前端电路200还包括多个分压器210、220和230。每个分压器布置在相应的一对输入端子101A、101B、101C和101N之间。每个分压器被布置为输出指示跨相应的一对输入端子的电压的信号。当仪表100耦合到诸如图1中的电力线110或其他的电力线时，每个分压器输出指示跨过相应的一对电力线导体的电压的信号。
分压器210布置在输入端子101A和101B之间。分压器210包括两个电阻器R211和R212。电阻器R211和R212串联布置在输入端子101A和101B之间。分压器210还在电阻器R211和R212之间的公共点处包括中间节点213。分压器210布置成分压电压VAB，其中VAB是端子101A和101B两端的电压。例如，当参考端子101B时，在中间节点213处将分压的电压作为电压信号VAB'提供。借助电阻器的布置，分压器可以通过以下公式进行表征：
VAB'＝VAB*R212/(R211+R212)
因此，中间节点213处的电压信号VAB'指示端子101A和101B两端的电压VAB。此外，当电表100如图1所示或以其他方式耦合至三相电力线时，端子101A和101B两端的电压信号VAB对应于电力线的相导体A和B两端的电压。因此，中间节点213处的电压信号VAB'可以指示三相电力线的相导体A和B两端的电压VAB。
可以使用已知技术适当地选择分压器210中的电阻器的值和所得的分压，从而可以由仪表100的其他组件来测量分压，同时还满足那些组件的安全性和最大额定值。例如，可以选择电阻器的值，使得可以由处理单元300及其下面描述的组件来测量电压，同时还满足其安全性和最大额定值。在一示例中，电阻器R211可以在1kΩ或更大的范围内，并且电阻器R212可以在1MΩ或更大的范围内。
分压器220布置在输入端子101B和101N之间，并且包括电阻器R221和R222。分压器220的布置基本上类似于分压器210的布置，并且因此由相似的方程式和相似的电阻器值来表征。因此，分压器220被布置为分压电压VBN，其中VBN是端子101B和101N两端的电压。例如，当参考端子101N时，在中间节点223处将分压的电压作为电压信号VBN'提供。因此，中间节点223处的电压信号VBN'指示端子101B和101N两端的电压VBN。此外，如图1所示，当电表100连接到4线三相电力线上时，端子101B和101N上的电压VBN对应于电力线上的相导体B和中性导体N上的电压。因此，中间节点223处的电压信号VBN'可以指示三相电力线的相导体B和中性导体N两端的电压VBN。
分压器230布置在输入端子101C和101B之间，并且包括电阻器R231和R232。分压器230的布置基本上类似于分压器210和220的布置，并且因此由相似的方程式和相似的电阻器值来表征。因此，分压器230被布置为分压电压VCB，其中VCB是端子101C和101B两端的电压。例如，当参考端子101B时，在中间节点233处将分压的电压作为电压信号VCB'提供。因此，中间节点233处的电压VCB'指示端子101C和101B两端的电压VCB。此外，当电表100如图1所示或以其他方式耦合到三相电力线时，端子101C和101B两端的电压VCB对应于电力线的相导体C和B两端的电压VCB。因此，中间节点233处的电压信号VCB'可以指示跨过三相电力线的相导体C和B的电压VCB。
尽管图2在每个分压器中显示了两个电阻，但是应该理解，可以使用其他组件布置来形成分压器。例如，图2中所示的每个电阻器可以由串联和/或并联电阻器的网络代替，以在中间节点处实现期望的分压。此外，还可以使用除适用于分压器的电阻器以外的组件，包括电容器、电感器或晶体管。例如，如图7所示并且在下面更详细地描述，分压器可以用电压互感器代替。
图3示出了根据本公开的实施例的处理单元300。如上所述，处理单元300可以与图2的FEC 200一起被包括在图1的仪表100中。处理单元300被配置为从FEC 200接收输出信号。根据收到的信号，处理单元被配置为确定和监视与仪表100耦合的电力线的功率，例如图1中的电力线110或其他。
处理单元300包括多个差分输入：V1p、V1n、V2p、V2n、V3p、V3n、I1p、I1n、I2p、I2n、I3p和I3n。成对的差分输入V1p/V1n、V2p/V2n和V3p/V3n用于接收电压信号，该电压信号表示被监视的电力线的导体之间的电压。成对的差分输入I1p/I1n、I2p/I2n和I3p/I3n用于接收电压信号，该电压信号指示流经被监视电力线的相导体的电流。处理单元300被布置为参考各个负输入(例如，V1n、I1n)来测量在正输入(例如，V1p、I1p)处接收的信号。
图3示出了当包括在仪表100中时处理单元300的输入如何耦合到FEC 200的节点。
正输入V1p耦合到分压器210的中间节点213。相应的负输入V1n耦合到端子101B。因此，处理单元300被布置为接收分压信号VAB'，该分压信号VAB'表示端子101A和101B之间的电压VAB，即监视3线或4线三相电力线的相导体A和B之间。
正输入V2p耦合到分压器220的中间节点223。相应的负输入V2n耦合到端子101N。因此，处理单元被布置成接收分压信号VBN'，该分压信号VBN'表示端子101B和101N之间的电压VBN，即当仪表100连接到4线电力线时，三相电力线的相导体B和中性导体N之间。
正输入V3p耦合到分压器230的中间节点233。相应的负输入V3n耦合到端子101B。因此，处理单元被布置成接收指示在端子101C和101B之间的电压VCB的分压信号VCB'，即在被监视的3线或4线三相电力线的相导体C和B之间。
正输入端I1p耦合到节点241，而负输入端I1n耦合到电流传感器240的节点242。因此，处理单元被布置为接收指示在端子101A和102A之间流动的电流IA的电压信号VIA'，即监视在3线或4线电力线的相导体A上流动的电流。
正输入I2p耦合到节点251，负输入I2n耦合到电流传感器250的节点252。因此，处理单元被布置为接收指示在端子101B和102B之间流动的电流IB的电压信号VIB'，即在3线或4线电力线的相导体B上流动的电流受到监控。
正输入端I3p耦合到节点261，而负输入端I3n耦合到电流传感器260的节点262。因此，处理单元被布置成接收表示在端子101C和102C之间流动的电流IC的电压信号VIC'，即监视在3线或4线电力线的相导体C上流动的电流。
图4示出了由处理单元300执行的确定和监视与仪表100耦合的3线或4线电力线的电力的处理步骤。
总之，处理单元300测量或感测从FEC 200接收的电压信号。所测量或感测到的电压信号指示被监视的电力线的导体两端的电压，并且表示流过被监控电力线的相导体的电流。处理单元300被配置为然后在第一操作模式或第二操作模式下操作以确定和监视与仪表100耦合的三相电力线的功率。当仪表100耦合到三相3线电力线时处理单元300可以在第一操作模式下操作(即具有三相导体A、B和C而没有中性导体N的三相电力线)。当仪表100耦合到三相4线电力线(即具有三相导体A、B和C以及中性导体N的三相电力线，如图1所示)时，处理单元300可以在第二操作模式下操作。处理单元300采用特定的计算和技术来确定每种类型的电力线的功率，如下面更详细地描述的。
在步骤S401，处理单元300测量或感测从FEC 200接收的电压信号VVAB'、VBN'、VCB'、VIA'、VIB'、VIC'。处理单元300可以使用多个模数转换器(ADC)对接收到的电压信号进行采样并将其转换为数字信号。当电表连接到三相电力线时，电压信号将以例如电力线的基频或谐波频率随时间变化。因此，处理单元300可以以合适的采样率连续接收并采样瞬时电压信号VAB'、VBN'、VCB'、VIA'、VIB'、VIC'。
如步骤S403所示，处理单元300被配置为以第一模式或第二模式操作。具体地，在步骤S403，处理单元300可以确定仪表100是耦合到3线电力线还是4线电力线。当仪表100耦合到三相3线电力线时，处理单元300可以在第一操作模式下操作，并且当仪表100耦合到4线电力线时，处理单元300可以在第二操作模式下操作。
在第一操作模式中，在步骤S405，处理单元300确定电力线的实际瞬时电压VAB和VCB。在一些实施例中，处理单元300可以通过将VAB'乘以补偿增益来确定电压VAB，以补偿分压器210的分压效应。类似地，处理单元300可以通过将VCB'乘以相应的补偿增益来确定电压VCB，以补偿分压器230的分压效果。
补偿增益可以被预编程到处理单元300的寄存器中。补偿增益可以基于每个分压器的电阻器的值。在一些实施例中，每个补偿增益可以被离线确定和校准并且被存储在处理单元300的寄存器中。校准可以包括：通过分压器输入已知的电压信号，确定由处理单元300测量的分压信号(例如在处理单元300的ADC输出处)，并将补偿增益确定为已知输入信号与测量的分频信号之间的增益。
此外，在步骤S405，处理单元300确定电力线的实际瞬时电流IA和IC。可以通过将VIA'乘以转换增益来确定电流IA，以将电压信号VIA'转换为电流IA。类似地，可以通过将VIC'乘以相应的转换增益来确定电流IC。
转换增益可以被预编程到处理单元300的寄存器中，以在执行步骤S405时使用。转换增益可以基于电流传感器240和260的参数，例如它们在输出节点241和242以及261和262之间的阻抗。在一些实施例中，每个转换增益可以离线确定和校准，并存储在处理单元300的寄存器中。校准可以包括：通过电流传感器输入已知电流信号，确定由处理单元300测量的指示电流的电压信号(例如，在处理单元300的ADC的输出处)，并将转换增益确定为已知输入信号和测量信号之间的增益。
在步骤S407，处理单元300确定与电表100耦合的三相3线线路上的电力(即，由负载消耗或产生的电力)。根据Blondel定理，如果将相导体B视为3线线路的公共参考点，则可以使用两个电压VAB和VCB以及两个电流IA和IC来确定三相3线线路的功率。因此，在第一操作模式中，处理单元300基于所确定的瞬时电压VAB和VCB以及所确定的瞬时电流IA和IC来确定功率。
可以使用瞬时电压VAB、VCB和电流IA、IC来确定电力线的不同类型的电量。例如，瞬时电压和电流可以用于确定电力线上的总有功、无功和视在功率中的一个或多个。此外，瞬时电压和电流还可用于确定电力线上的电力传输信号的组成频率分量的有功、无功和视在功率中的一个或多个，例如电力线上电力传输信号的基频和各个谐波频率的功率。处理单元300可以被配置为基于瞬时电压和电流VAB、VCB、IA、IC，采用在三相3线电力线上计算以上功率量中的任何一个或多个的任何已知技术。作为示例，计算三相3线电力线上的总有功功率可涉及首先计算相应相导体A和C上的瞬时功率PA＝VAB×IA和PC＝VCB×IC。瞬时功率PA和PC然后可以用于确定功率量PA-Active和PC-Active，它们分别是相导体A和C上的总有功功率。根据Blondel定理，计算总的总有功功率P3w-Active可能涉及将功率量PA-Active和PC-Active相加。基于已知技术，技术人员可以设想用于计算功率的任何其他附加的、替代的或中间的计算步骤。确定功率量还可能涉及存储或记录电流以及过去的瞬时电压、电流或功率值，以用于功率计算。
在步骤S409，处理单元300可以输出指示所确定的功率的信号，诸如总有功功率P3w-Active。在一些实施例中，处理单元300可以与显示装置通信，该显示装置接收输出信号并显示电量。显示设备可以被包括在仪表100中，或者可以在仪表100的外部。替代地或附加地，处理单元300可以与任何其他设备通信以显示、记录或分析所确定的功率。
当仪表100耦合到三相4线电力线时，处理单元300可以在第二操作模式下操作。在第二操作模式中，在步骤S415，处理单元300如上所述确定实际电压和电流VAB、VCB、IA和IC。此外，在第二操作模式中，处理单元还确定实际电压VBN和电流IB。与确定VAB和VCB类似，处理单元300可以通过将VBN'乘以相应的补偿增益来确定瞬时电压VBN，以补偿分压器220的分压效果。类似于确定IA和IC，处理单元300可以通过将VIB'乘以相应的转换增益来确定瞬时电流IB。如上所述，可以确定和/或将各自的补偿增益和转换增益预编程到处理单元的寄存器中。
在步骤S417，处理单元300确定瞬时电压VAN和VCN。电压VAN对应于被监视的三相四线线路(例如，图1中所示的电力线)的相导体A和中性导体N之间的电压。电压VCN对应于被监控的三相四线线路的相导体C和中性导体N之间的电压。由于电压VAN和VCN未被电表100直接测量，因此处理单元300将这些电压确定为：
VAN＝VAB+VBN
VCN＝VCB+VBN
因此，瞬时电压VAN和VCN可用。电压VBN在此步骤已经可用，因为它是由电表100测量的。
在步骤S419的第二操作模式中，处理单元300确定与仪表耦合的三相4线线路的功率。根据Blondel定理，如果将中性导体N视为4线线路的公共参考点，则可以使用电压VAN、VBN、VCN和电流IA、IB、IC确定功率。因此，在第二操作模式中，处理单元300基于所确定的瞬时电压VAN、VBN、VCN以及所确定的瞬时电流IA、IB和IC来确定功率。
如上所述，可以基于瞬时电压和电流来确定电力线的不同电量。处理单元300可以被配置为采用基于瞬时电压和电流VAN、VBN、VCN、IA、IB、IC计算三相4线电力线上的任何一个或多个前述功率量的任何已知技术。作为示例，计算总有功功率可以包括首先计算相应相导体A、B和C上的瞬时功率PA＝VAN×IA、PB＝VBN×IB和PC＝VCN×IC。然后可以使用瞬时功率PA、PB、PC确定功率量PA-Active、PB-Active和PC-Active，它们分别是每个相导体A、B和C的总有功功率。根据Blondel定理，计算总的总有功功率P4w-Active可能涉及将功率PA-Active、PB-Active、PC-Active相加。技术人员可以设想用于计算功率的任何其他附加的、替代的或中间的计算步骤。确定功率量还可能涉及存储或记录电流以及过去的瞬时电压、电流或功率值，以用于功率计算。
在步骤S421，类似于步骤S409，处理单元300可以输出指示所确定的功率的信号，诸如总有功功率P4w-Active。信号可以被输出到显示设备或如上所述的任何其他设备。
在每种操作模式中，处理单元300可以重复图4中的步骤以连续地监视与仪表100耦合的三相3线或三相4线电力线上的功率或任何功率量。
在一些实施例中，处理单元300可以被配置为接收用户输入以选择处理单元300的操作模式。例如，处理单元300可以与用户输入设备(未示出)通信。用户输入设备可以是允许用户在仪表100耦合至3线线路时选择第一操作模式，以及当仪表100连接到4线线路时选择第二操作模式。在图4中的方法的步骤S403，处理单元300可以检查用户选择的模式，并相应地根据第一或第二模式继续进行该方法。用户输入设备可以包括在仪表100中，或者在仪表100的外部。在一些示例中，用户输入设备可以是开关、按钮或触摸屏设备。
在其他实施例中，处理单元300可以被配置为自动确定其操作模式。特别地，处理单元300可以被配置为自动检测仪表100是否耦合到三相3线电力线或三相4线电力线。如果处理单元300确定其耦合到三相3线，则处理单元可以自动地将其自身设置为在第一操作模式下操作。如果处理单元300确定其耦合到三相4线线路，则处理单元可以自动将其自身设置为在第二操作模式下操作。
在一些实施例中，处理单元300可以基于电压信号VBN'的大小来确定其是否耦合至3线或4线电力线。VBN'的大小可以优选地被确定为电压信号VBN'的RMS，但是也可以被确定为瞬时峰值或峰峰值。VBN'的大小约为0V可能表明仪表100的中性端子101N和102N没有连接到中性导体N。因此，可以假定不存在中性导体并且仪表100已耦合到3线电力线。因此，处理单元可以将电压信号VBN'与阈值VT进行比较。如果VBN'不超过阈值VT，则处理单元300可以确定其耦合到3线线路并且以第一操作模式操作。否则，如果VBN'超过阈值VT，则处理单元300可以确定其被耦合到4线线路并且以第二操作模式进行操作。
阈值VT可以是适合于区分仪表100是否耦合至中性导体的任何值。VT可以在校准仪表100时凭经验确定，或者在理论上使用技术人员已知的方法确定。此外，可能不必连续确定操作模式。而是，在一些实施例中，处理单元300可以在重置事件之后(例如，当处理单元100被加电或重置时)自动确定操作模式。然后，当执行图4中的方法时，处理单元300可以继续在该操作模式下操作。然后，仅当发生另一个重置事件时，处理单元300才可以重新确定操作模式。
处理单元300可以是技术人员已知的适合于执行或执行本公开的方法的任何处理设备。例如，在一些实施例中，处理单元300可以是任何微控制器、微处理器、逻辑电路、集成电路或其组合。处理单元300还可以是可配置为执行本公开的方法的任何三相计量集成电路。这样，处理单元300可以被实现为包括用于执行本文描述的方法的组件的单个集成电路，例如抗混叠滤波器、模数转换器(ADC)、数字信号处理器、存储寄存器、数据接口以及控制接口。
在一些实施例中，处理单元300可以被实现为多个一个或多个集成电路(IC)。例如，如图5所示，处理单元300可以包括多个ADC集成电路(ADC-IC)501、502、503和数字处理器IC 504。
在图5的示例中，为被监视的三相电力线的每个相导体A、B和C提供了ADC-IC 501、502、503。ADC-IC 501包括差分输入V1p、V1n、I1p和I1n，用于耦合到前端电路200的节点。如上所述，差分输入可以耦合到电路200的节点，如图3所示，并由相同的参考符号表示。因此，如上所述，ADC-IC 501可以在其差分输入处从前端电路200接收信号。此外，ADC-IC 502和503的差分输入也可以耦合到电路200的节点，并如上所述从接收端电路200接收信号，并且由它们的相似参考标记表示。
每个ADC-IC 501、502、503被配置为将接收到的信号转换为数字信号。对于每对差分输入，ADC-IC可以包括一个单独的ADC。
ADC-IC 501、502、503被布置为将数字信号提供给数字处理器IC504。数字处理器IC 504被配置为根据本公开的方法执行处理或操作步骤。例如，数字处理器IC 504可以执行关于图4描述的计算和操作。
ADC-IC 501、502、503可以是可以如图5所示布置并执行本文描述的操作的任何类型的ADC-IC。在一些实施例中，ADC-IC 501、502、503可以是隔离的ADC-IC，其在IC的数字(输出)侧和模拟(输入)侧之间提供隔离屏障。数字处理器IC 504可以是可配置为与ADC-IC对接并执行本公开的方法的步骤的任何数字处理器IC或微处理器。
这样，处理单元300可以被实现为单个集成电路，或者被实现为多个一个或多个集成电路。
现在描述本公开的各种修改，变化和实施方式如下。
在本公开的一些实施例中，图2的FEC 200中的每个分压器210、220、230可以用电压互感器代替。图7示出了前端电路(FEC)700的示例，其包括代替图2中的FEC 200的分压器的电压互感器710、720、730。图7的FEC 700的所有其他方面类似于图2的FEC200。电压互感器710布置成接收来自一对端子101A和101B的输入。电压互感器710布置成减小或降低端子101A和101B之间的电压VAB，以在其输出端子713a和713b之间提供减小的电压信号VAB'。可以通过电压互感器710的初级线圈绕组和次级线圈绕组之间的匝数比来设置由电压互感器710提供的电压降低的水平。电压互感器720和730类似地布置成接收来自端子对101B/101N和101C/101B的相应对的输入，并且减少或降低每个电压VBN和VCB，以在电压互感器输出723a/723b和733a/733b之间提供降低的电压信号VBN'和VCB'。当在仪表100中使用FEC 700时，处理单元300可以不同于图3所示的方式耦合到FEC 700，以便接收电压信号VAB'、VBN'和VCB'。特别地，差分输入V1p和V1n可以耦合到变压器710的输出713a和713b。类似地，差分输入V2p和V2n可以耦合到变压器720的输出723a和723b，以及差分输入V3p和V3n可以耦合到变压器730的输出733a和733b。其余的差分输入可以如先前关于FEC 200所描述的那样耦合到FEC700。随后，在图4所示的方法的步骤S405和S415中，处理单元300可以使用或确定如前所述的适当的补偿增益，以补偿电压互感器的降压或减小作用并确定实际电压VAB、VCB和VBN。因此，当使用FEC 700时，补偿增益可能取决于电压互感器的匝数比。本公开的分压器和电压互感器可以更一般地称为电压发生器。
在本公开中，已经描述了处理单元300通过相对于输入端子101B参考分压器210的中间节点213来测量指示电压VAB的电压信号VAB'。然而，应当理解，任何其他等效节点可以用作参考，例如输出端子102B，或者具有与相导体B相同的电势水平的任何其他等效节点。类似地，任何其他等效节点都可以用作测量任何其他电压的参考，例如电压信号VCB'和VBN'、VIA'、VIB'和VIC'。
在一些实施例中，分压可以由处理单元300相对于替代参考节点来测量。例如，上面已经描述了当参考端子101N处的中性导体N时，如何布置分压器220以在节点223处提供分压信号VBN'。然而，分压器220可以以相反的方式布置以当参考相导体B时在节点223处提供分压信号VNB'。处理单元300可以被布置为通过将节点223耦合到正输入V2p，并且将端子101B(或与相导体B具有相同电势的任何其他节点)耦合到负输入V2n来测量分频信号VNB'。相应地，在图4中的方法的步骤S415处，可以相应地使用相应的补偿增益来确定电压VNB。随后，在图4的方法的步骤S417中，可以将电压VBN确定为VBN＝-VNB，然后如步骤S419中所述，将VBN用于确定功率。这样，替代参考和分压器布置可以用于确定电压VBN。通过测量VNB'而不是VBN'，可以将相导体B用作所有电压信号VAB'、VCB'和VNB'的公共参考。这可以允许仪表100用仅允许对所有负输入的单个公共参考输入的处理单元300来实现。然而，在一些实施例中，可以使用如上所述的任意参考以任意组合来确定电压VBN、VAB和VCB，以满足处理单元300的实现要求。例如，图5所示处理单元的某些实现可能要求每个ADC-IC501、502、503分别参考负电压输入V1n、V2n、V3n处的相应相导体A、B或C，以实现导体之间更好的隔离。因此，可以布置FEC的分压器，使得ADC-IC测量电压VBA'、VBC'和VNB'。这些电压可以被补偿和取反以便如上所述确定电压VAB、VCB和VBN以便确定功率。
指示电流的电压信号VIA'、VIB'和VIC'也可以在处理单元300的相应的正负输入端以相反的方式被引用。引用任何测量信号的其他等效或替代方式可以是设想的。
在本公开中，电表100被布置成基于所确定的电压VAB、VCB和VBN来确定功率，其中，相导体B是成对的导体和电压测量之间的公共相导体。应当理解，电表100可以被布置为基于任何其他概念上相似的电压对来确定功率。例如，电表100可以被布置成基于所确定的电压VAC、VBC和VCN来确定功率，其中，相导体C是电压测量对之间的公共相导体。可替代地，电表100可以被布置成基于电压VBA、VCA和VAN确定功率，其中，相导体A是电压测量对之间的公共相导体。技术人员将理解，这些替代布置可以与本公开中描述的布置类似地实现，同时具有相同的优点。
在本公开中，已经描述了FEC 200如何在中性端子101N和102N之间不包括电流传感器。然而，在一些实施例中，FEC可以在中性端子101N和102N之间包括中性电流传感器。中性电流传感器可以类似地布置到仪表100的其他端子之间的电流传感器。中性电流传感器可以在其输出节点处输出电压信号VIN'，其中VIN'指示端子101N和102N之间的电流IN，并且因此当耦合到中性导体时指示导体N上的电流IN。中性电流传感器的输出可以耦合到处理单元300的各个差分输入，从而处理单元300可以类似于确定其他电流IA、IB、IC的方式来确定中性电流IN。此外，在图5的实施例中，处理单元300可以包括用于确定中性电流IN的附加ADC-IC。所确定的电流IN对于检测与功率计和/或电力线有关的缺陷和篡改可能是有用的。
如本公开中所描述的，分压器或电压互感器以可测量的电平提供信号，该信号满足仪表100的组件(例如处理单元300的组件)的安全要求和最大额定值。但是，在某些情况下，电力线的导体上的电压可能已经处于安全且可测量的水平。因此，在一些实施例中，可以省略分压器和电压互感器，并且可以将仪表100的端子直接耦合至处理单元300的各个差分输入，以便测量电压VAB、VCB和VBN。
在本公开中，FEC 200/700以电压信号VAB'、VCB'、VBN'、VIA'、VIB'或VIC'的形式提供指示电力线上的电流和电压的信号。然而，在一些实施例中，FEC 200/700可以被布置为提供其一个或多个输出信号作为电流信号而不是电压信号，并且处理单元300可以被配置为接收电流信号并基于接收到的电流信号执行功率计算。
在本公开中，已经描述了功率计100如何布置成测量或确定功率计100耦合到的电力线的瞬时电压和电流，并且功率计100被配置成根据瞬时电压和电流确定电力线上的功率或各种功率量。应当理解，功率计可以被配置为确定关于电力线的任何其他合适的量或参数。例如，功率计100可以被配置为确定以下量中的一个或多个：能量(例如，以焦耳为单位)，千瓦时(kWHrs)，RMS电流/电压和功率因数。更一般地，电表100可以被认为是被配置为确定以上任何量的电表。技术人员可以应用任何已知的或通用的技术，以便将功率计100配置为基于所测量的瞬时电压和电流来确定上述量或参数。
本公开还提供一种方法，包括：将仪表100耦合到3线或4线三相电力线的导体；如果电表已连接到3线电力线，则将电表100设置为第一模式；如果电表已连接到4线电力线，则将功率计100设置为第二模式。该方法可以进一步包括：使用功率计，生成指示至少两个导体之间的电压的多个信号，以及确定三相电力线的功率。
在不使用多个从属关系的情况下给出了所附权利要求，但是，应当理解，各种从属权利要求(或其方面)可以以任何排列或与其他权利要求的组合来使用，除非说明书中的本详细描述另有明确指示。

Claims (15)

1.一种三相功率计，包括：
前端电路(FEC)，被配置为耦合到包括多个导体的三线或四线三相电力线，并生成指示各个导体对之间的电压的多个信号；和
处理单元，耦合到FEC，并被配置为接收所述多个信号和确定所述三相电力线的功率；
其中所述功率计被配置为在第一模式下操作以确定三线三相电力线的功率，并且在第二模式下操作以确定四线三相电力线的功率。
2.如权利要求1所述的三相功率计，其中所述FEC包括多个电压发生器，每个电压发生器被布置为耦合在一对导体之间，并且每个被配置为产生指示相应的导体对之间的电压的多个信号中的至少一个。
3.如权利要求2所述的三相功率计，其中所述多个电压发生器包括布置成耦合在相应的相导体对之间的两个电压发生器；和布置成耦合在相导体和中性导体之间的电压发生器。
4.如权利要求1所述的三相功率计，其中所述FEC被配置为当FEC耦合到三线或四线电力线中的任一个时产生指示在所述三相电力线的相导体之间的电压的至少两个信号，并且当耦合到四线电力线时产生指示所述三相电力线的相导体和中性导体之间的电压的至少一个信号。
5.如权利要求4所述的三相功率计，其中:
在第一操作模式下，所述处理单元被配置为基于指示所述三相电力线的相导体之间的电压的两个信号来确定功率；和
在第二操作模式下，所述处理单元被配置为基于指示所述三相电力线的相导体之间的电压的两个信号以及指示所述三相电力线的相导体和中性导体之间的电压的信号来确定功率。
6.如权利要求4所述的三相功率计，其中所述FEC被配置以产生：
当耦合到三线或四线电力线时，指示三相电力线的第一相导体和第二相导体之间的电压的第一信号；
当耦合到三线或四线电力线时，指示三相电力线的第三相导体与第二相导体之间的电压的第二信号；和
当耦合到四线电力线时，指示三相电力线的第二相导体和中性导体之间的电压的第三信号，
其中:
在第一操作模式下，所述处理单元被配置为基于所述第一信号和所述第二信号来确定功率；和
在第二操作模式下，所述处理单元被配置为基于所述第一、第二和第三信号来确定功率。
7.如前述任何一项权利要求所述的三相功率计，其中所述FEC还被配置为产生指示所述三相电力线的各个相导体上的电流的多个信号，并且所述处理单元被布置为接收所述指示电流的信号，并基于指示电压的接收信号和指示电流的接收信号来确定功率，
其中所述FEC还包括：
用于耦合到三相电力线的相导体的多个电流传感器，每个电流传感器被配置为输出指示在各个相导体上的电流的信号。
8.如权利要求2所述的三相功率计，其中所述FEC包括多个端子，用于耦合到三相电力线的各个导体；
其中所述多个电压发生器包括布置在所述端子之间的多个分压器，
其中:
所述多个端子包括用于与三相电力线的各个相导体耦合的至少三个相端子，以及用于与三相电力线的中性导体耦合的至少一个中性端子；和
所述多个分压器包括：
第一分压器，布置在第一相端子和第二相端子之间；
第二分压器，布置在第三相端子与第二相端子之间；和
第三分压器布置在所述第二相端子和所述中性端子之间。
9.如权利要求2所述的三相功率计，其中所述FEC包括多个端子，用于耦合到三相电力线的各个导体；
其中所述多个电压发生器是布置在端子之间的多个电压互感器。
10.如权利要求1所述的三相功率计，其中所述处理单元被配置为接收用户输入以控制所述功率计的操作模式；
和/或其中所述处理单元被配置为基于接收到的信号中的至少一个自动确定所述功率计的操作模式。
11.一种用于三相功率计中的前端电路(FEC)，所述FEC被配置为耦合到包括多个导体的三线或四线三相电力线，并生成指示所述三相电力线的各个导体对之间的电压的多个信号，使得所述三相功率计可以确定在第一模式下的三相三线电力线的功率，并确定在第二模式下的三相四线电力线的功率。
12.如权利要求11所述的FEC，还包括多个电压发生器，每个发生器被布置为耦合在一对导体之间，并且每个被配置为产生指示相应的导体对之间的电压的多个信号中的至少一个,
其中所述多个电压发生器包括布置成耦合在相应的相导体对之间的两个电压发生器，和布置成耦合在相导体和中性导体之间的电压发生器。
13.如权利要求12所述的FEC，还包括：
多个端子包括用于与三相电力线的各个相导体耦合的至少三个相端子，以及用于与三相电力线的中性导体耦合的至少一个中性端子；和
所述多个电压发生器包括：
第一分压器，布置在第一相端子和第二相端子之间；
第二分压器，布置在第三相端子与第二相端子之间；和
第三分压器布置在所述第二相端子和所述中性端子之间。
14.一种使用三相功率计来确定三线或四线三相电力线的功率的方法，该三相电力线包括多个导体，该方法包括：
使用处理单元接收指示各个导体对之间电压的多个信号；
确定该三相功率计是耦合到三线电力线还是四线电力线；和
使用所述处理单元对所述多个信号进行处理，以确定所述三相电力线上的功率，其中处理所述多个信号的方式取决于所述功率计是连接到三线还是四线电力线。
15.一种处理单元，布置为执行权利要求14所述的方法。
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