CN112394221B - 测量电能消耗 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及测量电能消耗。本公开涉及即使在电表被篡改时也测量消耗的电能量。为了绕过电表，可以通过在仪表的端子上连接诸如导电导线或电缆的插入元件来欺诈地篡改电表。这意味着仅一部分消耗的电流通过电表进行测量，从而导致部分消耗的电能没有被测量，因此无法支付费用。然而，在本发明中，已经开发了一种技术，该技术使电表能够确定绕过电表的电流量，从而即使在电表被篡改时也能测量消耗的电能量。

Description

测量电能消耗
技术领域
本公开涉及消费者负载消耗的电能的测量。
背景技术
电表(有时也称为电表或电表)旨在测量消费者负载消耗的电能量，以便可以向消费者准确计费。电表包括与消费者负载串联的电流传感器，例如分流器或电流互感器或Rogowski线圈，以便测量流过消费者负载的电流量。电表还可以测量消费者负载两端的电压，从而可以测量消费者负载消耗的能量。
有时电表被篡改，导致电表测量的能量少于消费者负载实际消耗的能量，从而欺诈性地收取了电费。这种篡改表示电能被盗。甚至在电表被篡改的情况下，也希望电表能够继续测量实际消耗的能量。
发明内容
本公开涉及即使在电表被篡改时也测量消耗的电能量。为了绕过电表，可以通过在仪表的端子上连接诸如导电导线或电缆的插入元件来欺诈地篡改电表。这意味着仅一部分消耗的电流通过电表进行测量，从而导致部分消耗的电能没有被测量，因此无法支付费用。然而，在本发明中，已经开发了一种技术，该技术使电表能够确定绕过电表的电流量，从而即使在电表被篡改时也能测量消耗的电能量。
在本公开的第一方面，提供一种与电表一起使用以测量消费者负载消耗的能量的能量测量单元，其中所述电表包括耦合在电子表的相线输入端子和相线输出端子之间的测量路径，并且其中所述测量路径包括用于测量电能消耗的电流传感器，所述能量测量单元被配置为：使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；确定与所述测量路径平行的所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的旁路阻抗；至少部分地基于所确定的旁路阻抗，确定与所述测量路径平行的在所述相线输入端子和所述相线输出端子之间流动的旁路电流；和至少部分地基于所述仪表电流和所述旁路电流，确定所述消费者负载消耗的能量。
能量测量单元可进一步配置为：测量所述电流传感器的视在阻抗；和至少部分地基于所述电流传感器的视在阻抗和所述电流传感器的已知阻抗来确定所述旁路阻抗。
测量路径还可包括与所述电流传感器串联的开关，并且所述能量测量单元可进一步配置为：确定所述开关的阻抗；其中进一步至少部分地基于所述开关的阻抗来确定所述旁路阻抗。
可进一步基于所述仪表电流、所述电流传感器的已知电阻、以及所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压来确定所述开关的阻抗。
电表还可包括分压器，该分压器耦合到所述测量路径并配置为产生电压测量信号，该信号取决于但小于所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，并且其中所述能量测量单元可进一步配置为：至少部分地基于所述电压测量信号来确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压。
分压器可包括：耦合到所述相线输入端子的第一输入；和第二输入，耦合到所述相线输出端子，使得所述分压器跨过所述相线输入端子和所述相线输出端子与所述测量路径并联耦合。
分压器可包括：耦合到所述相线输出端子的第一输入；和第二输入，耦合到所述电表的中性端子，使得所述电压测量信号指示所述相线输出端子相对于中性的电位，其中所述能量测量单元被配置为通过以下方式确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压：基于所述电压测量信号确定所述相线输出端子相对于中性的电位；确定所述相线输入端子相对于中性的电位；和基于所述相线输入端子相对于中性的电位和所述相线输出端子相对于中性的电位，确定所述相线输入端子与所述相线输出端子之间的电压。
分压器可包括：耦合在第一输入和第二输入之间的分位器，其中所述分位器包括两个阻抗元件，其中一个阻抗大于另一个阻抗，并且其中所述电压测量信号指示跨过所述分位器的较小阻抗元件的电压。
能量测量单元可进一步配置为通过以下方式测量所述电流传感器的视在阻抗：跨过所述电流传感器施加已知电流和频率的注入信号；和基本上以已知频率测量所得电压。
该方法还可包括：测量所述电流传感器的视在阻抗；和至少部分地基于所述电流传感器的视在阻抗和所述电流传感器的已知阻抗来确定所述旁路元件的阻抗。
测量路径还包括与所述电流传感器串联的开关，并且该方法还可包括：确定所述开关的阻抗；其中进一步至少部分地基于所述开关的阻抗来确定所述旁路元件的阻抗。
可进一步基于所述仪表电流、所述电流传感器的已知电阻、以及所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压来确定所述开关的阻抗。
电表还可包括分压器，该分压器耦合到所述测量路径并配置为产生电压测量信号，该信号取决于但小于所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，并且其中该方法还可包括：至少部分地基于所述电压测量信号来确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压。
测量电流传感器的视在阻抗可包括：跨过所述电流传感器施加已知电流和频率的注入信号；和基本上以已知频率测量所得电压。
在本公开的第三方面，提供一种计算机程序，当由一个或多个处理器执行该计算机程序时，该计算机程序使一个或多个处理器执行第二方面的方法。
在本公开的第四方面，提供一种确定耦合到电表的旁路元件的阻抗的方法，其中电表包括测量路径，该测量路径包括用于测量电能消耗的电流传感器，并且其中该旁路元件跨过电表的相线输入端子和相应的相线输出端子与电表的测量路径并联耦合，以便至少部分地旁路电流传感器，该方法包括：测量所述电流传感器的视在阻抗；和至少部分地基于所述电流传感器的视在阻抗和所述电流传感器的已知阻抗来确定所述旁路元件的阻抗。
测量路径还包括与所述电流传感器串联的开关，并且该方法还可包括：确定所述开关的阻抗；其中进一步至少部分地基于所述开关的阻抗来确定所述旁路元件的阻抗。
该方法还可包括：测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，其中进一步基于所述仪表电流、所述电流传感器的已知电阻、以及所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压来确定所述开关的阻抗。
该方法还可包括：测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；和基于所确定的旁路元件的阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定流过所述旁路元件的旁路电流。
该方法还可包括：使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；和至少部分地基于所述仪表电流和所述旁路电流，确定消耗的实际能量。
在本公开的第五方面中，提供了一种计算机程序，当由一个或多个处理器执行时，该计算机程序使一个或多个处理器执行第四方面的方法。
在本公开的第六方面，提供了一种电表，包括：相线输入端子和相应的相线输出端子；将相线输入端子耦合到相线输出端子的测量路径，该测量路径包括用于测量电能消耗的电流传感器；和能量测量单元，耦合到测量路径以确定当旁路元件跨过相线输入端子和相线输出端子耦合以至少部分绕过电流传感器时消耗的实际能量，其中能量测量单元配置为：使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；确定旁路元件的阻抗；至少部分地基于旁路元件的阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定流过所述旁路元件的旁路电流；和至少部分地基于仪表电流和旁路电流确定实际消耗的能量。
电表可以是单相电表，也可以是多相电表，例如两相、三相或四相电表。
电表还可包括：分压器，该分压器耦合到所述测量路径并配置为产生电压测量信号，该信号取决于但小于所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，其中能量测量单元进一步配置为至少部分地基于所述电压测量信号来确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压。
分压器可包括：耦合到所述相线输入端子的第一输入；和第二输入，耦合到所述相线输出端子，使得所述分压器跨过所述相线输入端子和所述相线输出端子与所述测量路径并联耦合。
分压器可包括：耦合到所述相线输出端子的第一输入；和第二输入，耦合到所述电表的中性端子，使得所述电压测量信号指示所述相线输出端子相对于中性的电位，其中所述能量测量单元被配置为通过以下方式确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压：基于所述电压测量信号确定所述相线输出端子相对于中性的电位；确定所述相线输入端子相对于中性的电位；和基于所述相线输入端子相对于中性的电位和所述相线输出端子相对于中性的电位，确定所述相线输入端子与所述相线输出端子之间的电压。
分压器可包括：耦合在第一输入和第二输入之间的分位器，其中所述分位器包括两个阻抗元件，其中一个阻抗大于另一个阻抗，并且其中所述电压测量信号指示跨过所述分位器的较小阻抗元件的电压。
还公开了一种能量测量单元，该能量测量单元与电表一起使用以确定在将耦合元件耦合到电表时消耗的实际能量，其中电表包括测量路径，该测量路径包括用于测量电能消耗的电流传感器，并且其中该旁路元件跨过电表的相线输入端子和相应的相线输出端子与测量路径并联耦合，以便至少部分地旁路电流传感器，所述能量测量单元被配置为：使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；确定旁路元件的阻抗；至少部分地基于旁路元件的阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定流过所述旁路元件的旁路电流；和至少部分地基于仪表电流和旁路电流确定实际消耗的能量。
在本公开的第二方面，提供了一种确定在将旁路元件耦合到电表时消耗的实际能量的方法，并且其中该旁路元件跨过电表的相线输入端子和相应的相线输出端子与测量路径并联耦合，以便至少部分地旁路电流传感器，该方法包括：使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；确定旁路元件的阻抗；至少部分地基于旁路元件的阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定流过所述旁路元件的旁路电流；和至少部分地基于所述仪表电流和所述旁路电流，确定消耗的实际能量。
附图说明
参考以下附图，仅以示例的方式描述了本公开的各方面，其中：
图1示出了根据本公开的一个方面的示例电表的示意图。
图2示出了根据本公开的另一方面的示例电表的示意图。
图3示出了电表篡改事件的示意图，其中旁路元件跨接在图1的电表的相位端子上。
图4A和4B示出了简化的等效电路，这些等效电路表示在正常操作期间图1的电表中及其周围的阻抗。
图5A和5B示出简化的等效电路，该等效电路表示在电表篡改事件期间图3的电表中及其周围的阻抗。
图6示出了根据本公开的另一方面的示例电表的示意图。
图7A和7B示出简化的等效电路，该等效电路表示在电表篡改事件期间图6的电表中及其周围的阻抗。
图8示出了耦合到图6的电表的测量路径的分压器的示例性示意图。
和
图9示出了耦合到图6的电表的测量路径的分压器的另一示例示意图。
具体实施方式
可通过在仪表的相线端子上连接旁路元件(例如导线或电缆)来篡改电表，以绕过电表。通过以这种方式篡改电表，消耗负载消耗的电流中的至少一些(如果不是全部)绕过电表，并且无法被电表中的电流传感器测量。这导致电能被盗。
在本公开中，通过测量电表的电流传感器的阻抗以确定电流传感器的视在阻抗来确定旁路元件的阻抗。当没有跨相线端子连接的旁路元件时，电流传感器的视在阻抗与电流传感器的实际阻抗基本相同。在这种情况下，在相线端子上确定的旁路阻抗将被确定为非常高，从而旁路电流将被确定为非常低，趋于零。然而，当连接旁路元件时，与电流传感器并联的旁路元件的相对较低的阻抗改变了电流传感器的视在阻抗。因此，可以从测得的视在阻抗和电流传感器的已知实际阻抗中确定旁路元件的阻抗。
当知道旁路元件的阻抗时，可以通过测量电表相线两端的电压来确定流过旁路元件的旁路电流。负载实际消耗的总电流是流过旁路元件的电流和流过电表的电流之和。因此，即使电表已经使用旁路元件进行了篡改，电表也可以确定消耗的总电流，从而确定消耗的总电能。
图1示出了根据本公开的一方面的示例性单相电表100的示意图。电表100耦合到相电力线140和中性电力线150，相电力线140从电力传输网络(例如“电网”或“国家电网”)馈电，中性电力线150将电流返回到电力传输网络。电表100还耦合到用户负载160，并且电表100被配置为测量负载160消耗的电能的量。
电表100包括测量路径110，该测量路径110包括电流传感器112。在该示例中，电流传感器112是具有阻抗RSENSOR的分流电阻器，但也可以是任何其他合适类型的电流传感器，例如电流互感器(CT)或Rogowski线圈。电表100还包括：相线输入端子IRin，其耦合至相电力线140；和相线输出端子IRout，其耦合至用户负载160。测量路径110跨接在相线输入端子IRin和相线输出端子IRout之间，使得电流从相电源线140经由相线输入端子IRin、测量路径110和相线输出端子IRout流向用户负载160。
电表100还包括耦合到电流传感器112的能量测量单元120，以便测量流过测量路径110的仪表电流Im。例如，能量测量单元120可以存储电流传感器112的阻抗RSENSOR的准确记录，并且例如使用模数转换器(ADC)来测量电流传感器112两端的电压。然后可以根据公式I＝V/R找到仪表电流Im。在正常操作中，仪表电流Im与流经负载160的电流相同，因此仪表电流Im的测量可用于测量用户负载160消耗的能量。本领域技术人员将理解，RSENSOR通常非常小(例如，以微欧姆为单位，例如50μΩ或100μΩ或200μΩ等)，因此，电流传感器112两端的电压以及电流传感器112本身消耗的能量也很小。
电表100还包括电压传感器130，该电压传感器130包括电阻分压器，用于测量中性相电压，即电表100的中性端子NEUTRALIN或NEUTRALOUT与相线输入端子IRIN之间的电压(或相线输出端子IROUT)。在家庭环境中，相线电压通常在RMS约115至250伏之间，因此可能会遇到超过300V的峰值电压。鉴于此，电压传感器130包括电阻器R1和电阻器R2。电阻器R1通常相对较小(例如，kΩs的数量级，例如1kΩ或2kΩ等)，电阻器R2通常相对较大(例如，MΩs的数量级，例如1MΩ或2MΩ等)。这意味着R1两端的电压将中性相电压域转换为更适合通过例如能量测量单元120中的模数转换器(ADC)进行测量的较小电压域。此外，由于R2相对较大，因此，流过电压传感器130的电流量可以忽略不计。由于中性相电压也是用户负载160两端的电压，因此能量测量单元120能够测量用户负载160两端的电压和流过用户负载160的电流(Im)，从而确定用户负载160消耗的电能量。
图2示出了根据本公开的一方面的示例性三相电表200的示意图。这三个相分别标记为“R”、“S”和“T”。可以看出，电表200具有用于R相的相线输入端子IRIN和对应的相线输出端子IROUT，用于S相的相线输入端子ISIN以及对应的相线输出端子ISOUT，用于T相的相线输入端子ITIN以及对应的相线输出端子ITOUT。每个相都有一个对应的测量路径，电流传感器和电压测量电阻分压器(为简单起见，在图2中未显示)。因此，能量测量单元120能够测量仪表电流和每相的相线至中性点电压，从而确定用户负载160消耗的总能量。
为了简单起见，本公开的其余部分仅集中在单相电表100上。然而，将理解的是，本文公开的原理可以等同地应用于多相电表，例如两相、三相、四相等电表。
图3显示了电表篡改事件的图示，其中旁路元件310(例如导线或电缆)已与测量路径110平行地跨接在相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT上，从而至少部分地旁路电流传感器112。因此，旁路元件310有效地使电表100短路或旁路。旁路元件310可以直接耦合到相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT，或者可以经由在相电力线140和电表100之间延伸的电缆将“耦合器”耦合到相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT(例如，如果耦合到相线输入端子IRIN的少量电缆暴露在电表100的外部，并且耦合到相线输出端子IROUT的少量电缆暴露在电表100的外部，则旁路元件310可以连接在裸露电缆的这两部分之间，从而使相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT短路)。
通过以这种方式篡改电表100，旁路电流Ib将流过旁路元件310。流到用户负载160的电流总量将等于Im+Ib，但是公用事业电表100将仅检测仪表电流Im。这意味着用户负载160实际消耗的能量数量将大于能量测量单元120测量的能量数量，这意味着电能将被窃取。Ib越大，偷来的能量越多。因此，如果旁路元件310的阻抗RBYPASS比电流传感器112的阻抗RSENSOR小很多，则可能会窃取大量能量。特别地，如果RBYPASS趋于0Ω，则电流传感器112将被完全旁路，使得能量测量单元120将确定没有能量被用户负载160消耗。如果旁路元件310的阻抗RBYPASS等于或略大于电流传感器112的阻抗RSENSOR，例如大两倍、三倍或四倍，电流传感器112将仅被部分地旁路，但是仍然会窃取一些能量。
一些电表100在NEUTRALIN和NEUTRALOUT端子之间配备有另一个电流传感器，最典型地是CT。在这些实施方式中，能量测量单元120可以被配置为监视由电流传感器112和另一电流传感器两者测量的电流。在正常操作期间，由电流传感器112测量的电流将基本上等于由另一电流传感器测量的电流。然而，如果连接了旁路元件310，则由电流传感器112测量的电流将基本上不等于由另一电流传感器测量的电流。因此，通过比较由电流传感器112和另一电流传感器测量的电流，能量测量单元120可以检测是否已经连接了旁路元件310。然而，尽管它可以进行该检测并可能触发向供电公司发出警报以访问电表100并进行调查，但是并未检测到旁路电流Ib的大小，因此无法测量旁路事件期间实际消耗的能量。
此外，如果另一个旁路元件跨接在NEUTRALIN和NEUTRALOUT之间，则电流传感器112和另一个电流传感器可以测量基本相同的电流(例如0A)。在这种情况下，能量测量单元120不仅不能准确地测量实际消耗的能量，而且还可能不能识别旁路元件310已经被连接。
发明人已经认识到，如果可以确定旁路元件310的阻抗RBYPASS，则可以通过测量相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT之间的电压来测量旁路电流Ib。
以下说明详细说明当旁路元件310就位时如何确定与测量路径平行的相线输入端子和相线输出端子之间的旁路阻抗。在这种情况下，旁路阻抗是旁路元件310的阻抗，旁路电流Ib是流过旁路元件310的电流。但是，如稍后所述，当没有旁路元件310就位时，相同的技术仍可用于确定与测量路径平行的相线输入端子和相线输出端子之间的旁路阻抗。在那种情况下，旁路阻抗将被确定为非常高的阻抗(趋于无穷大)，并且旁路电流Ib将相应地被发现为非常低的值，趋于零。因此，无论是否有旁路元件310，以下描述的技术都可以用于确定用户负载160消耗的能量的准确度量。
图4A示出了简化的等效电路，该等效电路表示电表100在正常的，非旁路的操作期间(例如，在图1所示的操作期间)中及其周围的阻抗。阻抗RTRANSF是向电表100供电的变电站的阻抗。RTRANSF的大小通常为几Ω。RLOAD是用户负载160的阻抗。RLOAD的大小通常为几Ω。电压传感器130的阻抗未在图4A中表示出来，因为与并联的RSENSOR+RLOAD阻抗相比，R1+R2阻抗相对较大(MΩs数量级)，因此可以忽略不计。
图4B示出了图4A中表示的电路的重新布置的版本，以帮助解释RAPPARENT的确定。
电流传感器112的视在阻抗RAPPARAENT是电流传感器112的测得的阻抗。例如，可以使用在WO2014/072733和WO2013/038176中描述的技术来确定，为了使读者能够公开有关如何估计电流传感器的传递函数(例如，阻抗)的信息，请读者阅读该文献，并通过引用将其全部内容并入本文。但是，为了便于参考，此处包括来自那些专利申请之一的示例。
例如，WO2013/038176描述了(参考WO2013/038176的图1A和1B)一种技术，该技术通过在电流传感器上注入参考输入信号来确定分流电流传感器的传递函数(例如，阻抗)的估算值。在WO2013/038176的图1A和1B表示的示例中，电流传感器由参考标号110表示，注入信号由由参考标号112表示的信号源注入。信号源112可以包括可控电流源/电流吸收器，其可以可控制地使附加电流通过电流传感器。注入信号可以具有已知的频率和相位，并在电流传感器上引起相应的电压变化。注入信号可具有至少一个高于电源信号频率的频率的分量，例如大于5kHz的频率，其中电源信号具有约50Hz的主导频率。以这种方式，喷射信号应该位于供电信号的频带之外，因此独立于供电而被监视。通过监视由注入信号引起的电流传感器两端的电压变化(例如，使用ADC)，可以确定电流传感器的视在阻抗RAPPARAENT。
图4A和4B显示了跨RSENSOR施加的注入信号。注入信号可以由能量测量单元120或电表100中的某些其他单元/模块生成。能量测量单元120或电表100中的某些其他单元/模块可以监视相应的电压并确定RAPPARENT。应当理解，尽管这是一种用于确定RAPPARAENT的特定技术，但是它可以以任何其他合适的方式来确定。
参考图4B，应当理解，RAPPARENT是两个注入端子之间(即，在其中注入信号的端子(由图4B中的向内箭头表示)和出现注入信号的端子之间(在图4B中由向外指向的箭头之间))的阻抗。如图4B所示，RSENSOR与RTRANSF和RLOAD并行。如前所述，RSENSOR通常非常小，以微欧为单位。相反，RTRANSF和RLOAD相对较高，以欧姆为单位。由于RSENSOR<<RTRANSF+RLOAD，因此跨信号注入端子看到的视在阻抗RAPPARENT应该与电流传感器RSENSOR的阻抗基本相同。因此，在正常的电表100操作条件下，RAPPARENT应该准确地测量电流传感器112的阻抗。
图5A示出了简化的等效电路，该等效电路表示当连接旁路元件310时(例如，在图3中所示的旁路事件期间)电表100中和周围的阻抗。
图5B显示了图5A所示电路的重新布置版本，以帮助说明RAPPARENT的值如何受到旁路元件RBYPASS的阻抗的影响。
如前所述，由于RSENSOR<<RTRANSF+RLOAD，因此注入信号所看到的视在阻抗不受RTRANSF+RLOAD影响。因此，可以忽略RTRANSF和RLOAD，注入信号看到的视在阻抗RAPPARENT是与RBYPASS并联的RSENSOR。如前所述，RBYPASS通常非常小(最通常的尺寸与RSENSOR相似，或小于RSENSOR)，以确保旁路电流Ib足够大，以使电表值得篡改。结果，注入信号看到的视在阻抗RAPPARENT将低于电流传感器RSENSOR的阻抗。
发明人已经认识到，可以利用旁路阻抗RBYPASS的低值对RAPPARENT的值的影响来确定RBYPASS的值，而该值又可以用来确定Ib。特别地，电能测量单元120可以使用电流传感器112例如根据以下公式来测量仪表电流Im：
其中VSENSOR是电流传感器112两端的电压，并且可以由能量测量单元120例如使用合适的ADC来测量。RSENOR是电流传感器112的已知阻抗，能量测量单元120可以将其存储在存储器中(或从电表100或其他地方的单独的存储单元访问)。RSENSOR的存储值可以在电表100的制造和校准时设置，或者可以通过在旁路事件发生之前的时间通过注入信号测试来设置。在后一种情况下，能量测量单元120可以通过由于RAPPARENT值的显着变化和/或由于电流传感器112测得的电流大小与跨中性端子NEUTRALIN和NEUTRALOUT耦合的另一个电流传感器测得的电流大小存在差异来识别旁路事件。能量测量单元120因此可以识别出RAPPARENT不再是电流传感器112的阻抗的准确量度，并且应该将电流传感器112的阻抗的最近存储的可靠值代之以用于RSENSOR。
在旁路事件期间：
因此，可以基于电流传感器的已知阻抗RSENSOR和电流传感器的视在阻抗RAPPRAENT的测量来确定RBYPASS，如下所示：
可以以任何合适的方式来测量RAPPARENT，例如使用上述的注入信号技术。
然后，可以基于RBYPASS和相线输入端子IRIN与相线输出端子IROUT之间的测量电压VT确定旁路电流Ib，如下所示：
对于电表100，VT与上述VSENSOR相同。因此，在本公开的该示例方面中，没有必要进行进一步的电压测量。
用户负载160实际消耗的电流总量为：
I＝Ib+Im
因此，有可能确定在旁路事件期间由用户负载160消耗的实际能量，从而使旁路无效，并且意味着即使在旁路事件期间也可以正确地测量和计费能量消耗。此外，即使在中性端子NEUTRALIN和NEUTRALOUT两端连接了另一个旁路元件时，上述过程也有效。
图6示出了根据本公开的另一方面的示例性单相电表600的示意图。除了在电流传感器112串联的测量路径120中包括诸如继电器或晶体管开关之类的开关610之外，电表600与电表100非常相似。开关610例如由能量测量单元120或任何其他合适的模块/单元可控，使得开关610可以通常保持闭合，但是可以断开以便切断对用户负载160的电力供应，例如在不支付电费的情况下。应当理解，多相电表，例如图2中所示的三相电表200，还可以在其测量路径中包括与电流传感器串联的开关。
图7A示出了简化的等效电路，该等效电路表示当连接旁路元件310时电表600内部和周围的阻抗。
图7B示出了图7A中表示的电路的重新布置的版本，以帮助可视化呈现给注入信号的阻抗，并因此可视化由注入信号确定的视在阻抗RAPPARENT。阻抗RTRANSF和RLOAD与阻抗RBYPASS并联，但未表示出来，因为它们的相对大小可以忽略不计，如前面关于图4B所述。开关610的导通状态阻抗为RSWITCH，并且通常相对较低，例如大约为10s或100s的微欧姆，例如80μΩ或300μΩ或500μΩ等。
在开关610的存在下，注入信号所看到的视在阻抗RAPPARENT为：
因此，RBYPASS为：
因此，为了确定RBYPASS，不仅需要测量RAPPARENT，而且还必须知道RSWITCH。在一些实施方式中，使用用于RSWITCH的存储值就足够了，例如，在制造和校准电表600时，例如一个存储在能量测量单元120中的存储器中(或由能量测量单元120从电表600或其他地方的单独的存储单元访问)。但是，对于某些类型的开关(例如继电器开关)，阻抗可能会因开关的不同而有很大差异，并且可能会由于时间(例如由于电触点腐蚀等)而发生明显变化。因此，可能需要由能量测量单元120测量开关610的阻抗RSWITCH，以便准确地确定RBYPASS，从而准确地测量用户负载160消耗的实际能量。
相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT两端的电压VT也是电流传感器112和开关610的电压。因此：
VT＝ImRSENSOR+ImRSWITCH
因此，阻抗RSWITCH可以表示为：
因此，可以基于相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT之间的电压VT、仪表电流Im和阻抗RSENSOR来确定阻抗RSWITCH。由于开关610的存在，电压VT处于与电流传感器112两端的电压相同的较长时间，因此需要分别测量电压VT。因此，通过测量电压VT，可以确定阻抗RSWITCH，从而确定阻抗RBYPASS和旁路电流Ib。因此，即使在连接了旁路元件310时(甚至在中性端子NEUTRALIN和NEUTRALOUT上连接了另一个旁路元件时)，也可以测量实际消耗的能量，从而可以继续为用户消耗的能源继续正确计费。
可以以任何合适的方式来测量电压VT。在使用ADC测量电压VT的情况下，可能会有开关610引起的并发症。当开关610闭合时，电流传感器112和开关610的组合阻抗非常低，这意味着VT很可能非常低，例如约毫伏。因此，需要一个相对敏感的ADC来准确地测量VT。然而，如果开关610断开，则VT将等于中性线至相线的电压，这意味着VT可能非常高，例如在家庭环境中在约115伏至250伏RMS之间。如此高的电压可能会损坏高灵敏度ADC。考虑到这一点，可以在测量过程中使用分压器。
图8示出了耦合到测量路径120的分压器800的示例示意图。分压器被配置为产生依赖于但小于电压VT的电压测量信号VMEASURE。分压器包括第一输入810和第二输入820。在该特定示例中，第一输入810耦合到相线输入端子IRIN，第二输入820耦合到相线输出端子IROUT，使得它跨接在相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT之间。
分压器800包括耦合在第一输入810和第二输入820之间的分压器R3和R4。电压测量信号VMEASURE是电阻器R3两端的电压。电阻器R3相对较小，例如约为10s或100s的数量级，或者约为kΩs，例如约为300Ω，1kΩ或2kΩ等。电阻器R4相对较大，例如，以kΩ为单位的10s或100s，或以MΩs为单位例如200kΩ或1MΩ或5MΩ等。因此，VMEASURE将是VT的一小部分。结果，当开关610闭合时，非常灵敏的ADC仍然应该能够准确地测量VT，但是如果将开关610断开，也应该不会损坏VT，因为可以将R3和R4设置为确保VMEASURE范围始终保持在安全范围内的值。因此，能量测量单元120可以通过测量VMEASURE，然后根据R3：R4的比例向上放大所测量的电压来确定VT。此外，由于R3+R4与RSENSOR相比非常大，因此R3和R4不会影响电流传感器112的视在阻抗RAPPARENT的测量。
图9显示了耦合到测量路径120的分压器800的另一个示例示意图。在此示例中，第一输入810耦合到相线输出端子IROUT，第二输入820耦合到中性端子NEUTRALIN(但也可以耦合到NEUTRALOUT)，这样它就可以耦合到IROUT和NEUTRALIN之间。因此，在该示例中，电压测量信号VMEASURE指示相线输出端子IROUT相对于中性线的电位。
能量测量单元120可以基于在R1两端测量的电压来测量相线输入端子IRIN相对于中性线的电位。因此，可以基于相线输入端子IRIN相对于中性线的电位和相线输出端子IROUT相对于中性线的电位来确定电压VT，例如通过求出差。结果，再次，非常敏感的ADC在开关610闭合时仍应能够准确地测量VT，但在开关610断开时也不应损坏，因为可以将R3和R4设置为确保VMEASURE范围始终保持在安全范围内的值。
技术人员将容易意识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下对本公开的上述方面进行各种改变或修改。
例如，能量测量单元120可以通过软件、硬件或软件和硬件的组合以任何合适的方式来实现。例如，其功能可以通过微控制器、专用硬件或包括计算机可读代码的软件来实现，该软件在任何电子设备的处理器上执行时，都可以执行上述功能。该软件可以存储在任何合适的计算机可读介质上，例如，非暂时性计算机可读介质，例如只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、蓝光、磁带、硬盘驱动器、固态驱动器和光盘驱动器。
尽管在上文中，电流传感器112被实现为电流分流器，但是其可替代地可以是任何类型的电流传感器，例如CT或罗氏线圈。视在阻抗RAPPARENT可以以任何合适的方式确定。例如，在电流传感器112是CT的情况下，RAPPARENT可以通过以下方式确定：通过跨过CT中心的载有仪表电流Im的导线施加注入信号，从而如上所述通过电流传感器施加注入信号，并能够测量CT的视在阻抗。
尽管在上面的描述中电压传感器130由分压器实现，但是其可以可替代地以任何其他合适的方式例如由电压互感器实现。同样，虽然上述分压器800由分位器实现，但是电压VT可以可替代地以任何其他合适的方式测量。
此外，尽管在上文中解释了能量测量单元120可以通过比较由电流传感器112和耦合在NEUTRALIN和NEUTRALOUT之间的另一个电流传感器测量的电流来检测旁路篡改事件，但是应当理解，能量测量单元120可以任何其他合适的方式检测旁路篡改事件。例如，它可以监视电流传感器112的视在阻抗，并通过视在阻抗随时间的变化来识别旁路篡改事件(例如，通过检测视在阻抗RAPPARENT与电流传感器RSENSOR的已知阻抗之间的差异超过预定阈值)。在进一步的示例中，能量测量单元120可以借助于仪表电流Im的大小的异常变化来识别旁路篡改事件(例如，与正常使用相比Im显着减小的情况)。在另一示例中，能量测量单元120可以通过从另一实体/模块接收篡改警报来识别旁路篡改事件，例如，通过从公用事业提供商接收到篡改警报通信，该通信通知能量测量单元120可能正在发生篡改事件。
在一些实施方式中，能量测量单元120可以被配置为以传统方式测量使用电流传感器112消耗的能量，并且在识别旁路篡改事件之后，使用上述技术测量实际消耗的能量。在其他实施方式中，能量测量单元120可以总是被配置为测量使用上述技术消耗的能量。当没有旁路篡改事件发生时，RAPPARENT将基本等于RSENSOR，这意味着旁路阻抗RBYPASS将被确定为具有非常高的阻抗(除以0)。这是有道理的，因为旁路阻抗RBYPASS是与测量路径平行的相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT之间的阻抗。当没有旁路元件310就位时，该阻抗将非常大。很高的旁路阻抗将意味着确定的很小的旁路电流Ib趋于0。同样，这是有道理的，因为当没有旁路元件310时，实际上，与测量路径110平行，在相线输入端子IRIN和相线输出端子IROUT之间将没有旁路电流流动。因此，当没有发生旁路事件时，Ib将被测量为非常小的值，趋于0，从而总消耗电流仍将被精确地测量为仪表电流Im。

Claims (20)

1.一种与电表一起使用以测量消费者负载消耗的能量的能量测量单元，其中所述电表包括耦合在电子表的相线输入端子和相线输出端子之间的测量路径，并且其中所述测量路径包括用于测量电能消耗的电流传感器，所述能量测量单元被配置为：
使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；
测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；
确定与所述测量路径并联的所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的旁路阻抗；
至少部分地基于所确定的旁路阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定与所述测量路径并联的在所述相线输入端子和所述相线输出端子之间流动的旁路电流；和
至少部分地基于所述仪表电流和所述旁路电流，确定所述消费者负载消耗的能量。
2.权利要求1所述的能量测量单元，进一步配置为：
测量所述电流传感器的视在阻抗；和
至少部分地基于所述电流传感器的视在阻抗和所述电流传感器的已知阻抗来确定所述旁路阻抗。
3.权利要求1所述的能量测量单元，其中所述测量路径还包括与所述电流传感器串联的开关，所述能量测量单元进一步配置为：
确定所述开关的阻抗；其中
进一步至少部分地基于所述开关的阻抗来确定所述旁路阻抗。
4.权利要求3所述的能量测量单元，其中进一步基于所述仪表电流、所述电流传感器的已知电阻、以及所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压来确定所述开关的阻抗。
5.权利要求1所述的能量测量单元，其中所述电表还包括分压器，该分压器耦合到所述测量路径并配置为产生电压测量信号，该信号取决于但小于所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，并且其中所述能量测量单元进一步配置为：
至少部分地基于所述电压测量信号来确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压。
6.权利要求5所述的能量测量单元，其中所述分压器包括：
耦合到所述相线输入端子的第一输入；和
第二输入，耦合到所述相线输出端子，使得所述分压器跨所述相线输入端子和所述相线输出端子与所述测量路径并联耦合。
7.权利要求5所述的能量测量单元，其中所述分压器包括：
耦合到所述相线输出端子的第一输入；和
第二输入，耦合到所述电表的中性端子，使得所述电压测量信号指示所述相线输出端子相对于中性的电位，
其中所述能量测量单元被配置为通过以下方式确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压：
基于所述电压测量信号确定所述相线输出端子相对于中性的电位；
确定所述相线输入端子相对于中性的电位；和
基于所述相线输入端子相对于中性的电位和所述相线输出端子相对于中性的电位，确定所述相线输入端子与所述相线输出端子之间的电压。
8.权利要求6所述的能量测量单元，其中所述分压器包括：
耦合在第一输入和第二输入之间的分位器，其中所述分位器包括两个阻抗元件，其中一个阻抗大于另一个阻抗，和
其中所述电压测量信号指示跨所述分位器的较小阻抗元件的电压。
9.权利要求1所述的能量测量单元，进一步配置为通过以下方式测量所述电流传感器的视在阻抗：
跨所述电流传感器施加已知电流和频率的注入信号；和
基本上以已知频率测量所得电压。
10.一种使用电表进行确定的方法，其中所述电表包括测量路径，该测量路径耦合在所述电表的相线输入端子和相应的相线输出端子之间，并且其中所述测量路径包括用于测量电能消耗的电流传感器，该方法包括：
使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；
测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；
确定与所述测量路径并联的所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的旁路阻抗；
至少部分地基于所确定的旁路阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定与所述测量路径并联的在所述相线输入端子和所述相线输出端子之间流动的旁路电流；和
至少部分地基于所述仪表电流和所述旁路电流，确定消耗的实际能量。
11.权利要求10所述的方法，还包括：
测量所述电流传感器的视在阻抗；和
至少部分地基于所述电流传感器的视在阻抗和所述电流传感器的已知阻抗来确定所述旁路阻抗。
12.权利要求10所述的方法，其中所述测量路径还包括与所述电流传感器串联的开关，该方法还包括：
确定所述开关的阻抗；其中
进一步至少部分地基于所述开关的阻抗来确定所述旁路阻抗。
13.权利要求12所述的方法，其中进一步基于所述仪表电流、所述电流传感器的已知电阻以及所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压来确定所述开关的阻抗。
14.权利要求10所述的方法，其中所述电表还包括分压器，该分压器耦合到所述测量路径并配置为产生电压测量信号，该信号取决于但小于所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，并且其中该方法还包括：
至少部分地基于所述电压测量信号来确定所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压。
15.权利要求10所述的方法，其中测量电流传感器的视在阻抗包括：
跨所述电流传感器施加已知电流和频率的注入信号；和
基本上以已知频率测量所得电压。
16.一种确定耦合到电表的旁路元件的阻抗的方法，该旁路元件跨电表的相线输入端子和相应的相线输出端子与电表的测量路径并联耦合，以便至少部分地旁路所述测量路径中的电流传感器，该方法包括：
测量所述电流传感器的视在阻抗；和
至少部分地基于所述电流传感器的视在阻抗和所述电流传感器的已知阻抗来确定所述旁路元件的阻抗。
17.权利要求16所述的方法，其中所述测量路径还包括与所述电流传感器串联的开关，该方法还包括：
确定所述开关的阻抗；其中
进一步至少部分地基于所述开关的阻抗来确定所述旁路元件的阻抗。
18.权利要求17所述的方法，还包括：
测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压，和
使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；
其中进一步基于所述仪表电流、所述电流传感器的已知电阻以及所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压来确定所述开关的阻抗。
19.权利要求16所述的方法，还包括：
测量所述相线输入端子和所述相线输出端子之间的电压；和
基于所确定的旁路元件的阻抗和所述相线输入端子与所述相线输出之间的电压，确定流过所述旁路元件的旁路电流。
20.权利要求19所述的方法，还包括：
使用所述电流传感器测量流过所述测量路径的仪表电流；和
至少部分地基于所述仪表电流和所述旁路电流，确定消耗的实际能量。
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