SE516685C2 - Metod, system och apparat för mätning av elenergi, mäter,kommunicerar och drivs via en strömtransformator - Google Patents

Description

70 15 20 25 30 35 516 685 _2_ mátaravläsning utan att samtidigt störa elkraftnätet, som är anslutet till mätaren.

Utlösningsanordningar för att lösa ut en elkrets är kända tex genom det europeiska patentdokumentet EP O 949 734 A2.

I den där beskrivna anordningen finns det processorer, som är arrangerade för att lösa ut en elektrisk krets vid de- tektering av ett feltillstànd. Emellertid finns det andra tillfällen, dä utlösning av en elektrisk krets är önskvärd.

Uppfinningens syften Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett mätsystem för elförbrukning, i vilket elmätarna fjärravlä- ses och kontrolleras pà ett effektivt sätt. som är bil- Ett annan syfte år att åstadkomma en elmätare, lig, lätt att installera och avpassad för kommunikation genom det elkraftsnät, till vilket den är ansluten.

Ett annat syfte är att åstadkomma en metod för fjärrkon- troll av en elmätare.

Uppfinningen i sammandrag Uppfinningen bygger på insikten om att det elektromagnetis- ka fältet kring en elektrisk ledare kan användas för att mäta energin, som flyter genom ledaren, medelst givare utan rörliga delar, och för att driva en elektronisk krets. _ Detta utnyttjas tillsammans med digital kommunikation genom den elektriska ledaren för att åstadkomma fjärrmätning och -kontroll av den elenergi, som förbrukas av en konsument vilken är ansluten till ett elkraftnät.

Enligt en första aspekt på uppfinningen ästadkommes en metod för mätning av elkraft enligt patentkravet 1.

Enligt en andra aspekt pà uppfinningen ästadkommes en elmä- tare enligt patentkravet 4. . n n . . . ~ . . . o u u 10 75 20 25 30 35 516 685 Enligt en tredje aspekt på uppfinningen àstadkommes ett system för mätning av elenergi enligt patentkravet 16.

Enligt uppfinningen àstadkommes ett mätsystem, i vilket mätanordningen kan installeras utan yrkeskunnig personal, dvs abonnenten sörjer för installationen.

Dessutom àstadkommes en metod, medelst vilken fjärrinsam- ling är möjlig av information avseende kunders elförbruk- ning pà ett effektivt sätt.

En annan fördel är möjligheten fjärrbortkoppling av en abonnent medelst en kretsbrytare, som finns i den avkännan- de apparaten.

Kortfattad beskrivning av ritningarna I exemplifierande form beskrivs uppfinningen nedan med hänvisningar till ritningarna, på vilka:_ Fig l är en översikt av ett mätsystem enligt uppfinningen; Fig 2 är en schematisk översikt av en elmätare, som används i det i fig l visade systemet; Fig 3a och 3b är schematiska tvärsnittsvyer av en huvudmo- dul resp en slavmodul, som ingàr i den i fig 2 visade elmätaren; och Fig 4 är ett blockschema över den i fig 2 visade mätutrust- ningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Nedan följer en detaljerad beskrivning av uppfinningen.

Vissa av de här beskrivna elementen är identiska till form och funktion och har därför samma hänvisningssiffra àtföljd av en bokstav. När hänvisning sker kollektivt till identis- ka element kan den åtföljande bokstaven vara utelämnad.

Först hänvisas till fig l, i vilken visas en del av ett elkraftnätssystem, som allmänt betecknas 10. Det i figuren visade systemet innefattar elektriska trefasledningar 12, . . .: . . . . . . . .. 70 75 20 25 30 35 516 685 -4_ som löper mellan en anslutningspunkt, tex en kraftstation l4, och ett antal elförbrukare 16a-d.

Någonstans i närheten av anslutningspunkten finns det en värdserver 20, som är ansluten till kraftledningarna 12.

Värdservern 20 är en vanlig dator, vilken är försedd med ett kraftnätsmodem som stöder TCP/IP. Servern 20 kör admi- nistrationsprogramvara etc och kommer att beskrivas närmare nedan.

Vid varje förbrukare finns det en elmätare 30a-d, av vilken en översikt nu kommer att ges med hänvisning till fig 2.

Trefasmätaren bestàr av tre delar, som är utformade och gestaltade som konventionella säkringar eller kretsbrytare.

De tre delarna utgörs av tvà identiska slavmoduler 50a, 50b, na är arrangerade för att monteras som konventionella som är anslutna till en huvudmodul 40. De tre moduler- proppsäkringar i ett säkringsskàp med huvudmodulen 40 pla- cerad i mittläget och slavmodulerna 50a, 50b pà ömse sidor om den. Slavmodulerna är anslutna till huvudmodulen med var sitt band 60a, 60b, som är gjort av polyester eller annat skört eller sprött material. Skälet till detta materialval är att det skall vara svårt att avlägsna bandet när detta är installerat, varigenom man förhindrar orättmätig manipu- lering av arrangemanget.

Bandet 60 är permanent fäst till huvudmodulen 40 och är elektriskt anslutet till den medelst ett mönster (visas ej) av tre tämligen breda, tryckta kopparbanor 62a-c, som löper parallellt mellan huvudmodulen 40 och slavmodulerna 50, när dessa är anslutna. Proceduren för att ansluta slavmodulerna till huvudmodulerna ske i följande steg. Första skruvas huvudmodulen 40 och slavmodulerna 50a, 50b in i resp sockel med huvudmodulen 40 placerad mellan slavmodulerna 50a, 50b.

Man mäste lägga ner särskild omsorg pà att banden 60a, 60b inte skadas under denna process. Banden 60a, 60b sätts sedan in i resp slits 52a, 52b, som finns i slavmodulerna.

När de väl har satts in i slitsarna 52 kan banden 60 inte n u . Q | | n Q ~ a | no 10 15 20 25 30 35 0516 685 _5_ dras bort från slavmodulerna beroende på en envägs fästan- ordning, som finns i slitsen.

När banden 60 har fästs är det inte möjligt att skruva ur 50, eftersom banden 60 i så fall skulle bris- ta och arrangemanget förstöras genom att den elektriska modulerna 40, kontakten bryts mellan huvudmodulen och slavmodulerna.

När modulerna 40, 50 är monterade i säkringsskàpet fungerar de som vanliga säkringar, normalt med storleken 10 eller 16 A.

Huvudmodulens 40 uppbyggnad kommer nu att beskrivas med hänvisning till fig 3a, som visar en sektion genom mitten av huvudmodulen. Modulen har allmänt en kontur, som är likartad med en konventionell säkrings, med en bottenan- slutning 4l, som är avpassad för anslutning till säkrings- sockelns bottenyta (visas ej) och således fungerar som ett första anslutningskorgan för modulen. Bottenanslutningen 41 är elektriskt ansluten till en gänga 42 medelst en ledande tråd 43. Gängan är utformad så att den passar i den invän- diga gänga (visas ej), som finns i säkringssockeln, och den fungerar således som en andra anslutning för modulen. Ett huvudparti av den ledande tråden 43 löper väsentligen pa- rallellt med säkringens 40 längdaxel.

Med modulen 40 monterad i sockeln utgör tråden 43 en del av ledningen 12, som förser förbrukaren 16 med elenergi, se fig 1. All förbrukad energi passerar således genom tråden 43.

Kring ett parti av den ledande tråden 43 finns det en spole 44, som företrädesvis är av koppar. Spolens två ändar är anslutna till ingångarna hos elektroniska kretsar 70, som finns i säkringen. Medelst spolen 44 detekteras det elek- tromagnetiska fältet, vilket alstras av strömmen som flyter i tråden 43. Närmare bestämt genererar det alstrade fältet i sin tur en ström i spolen 44, som avläses och tolkas av o v u . ~ o o a n u c . nu 10 75 20 25 30 35 516 685 ::.-:;:::;:: _5_ kretsarna 70, vilka således genererar momentanvärden för strömmen, som flyter i tråden 43. Antalet varv i spolen är anpassat till det förväntade, inducerade fältet för att ge ett lämpligt mätvärde. I den föredragna utföringsformen är antalet varv ca 500 i spolen 44, vilket ger en inspänning om ca 3 volt till kretsarna 70. För många varv medför emel- lertid för mycket metall, som ger en induktans vilken mins- kar den i spolen inducerare, maximala, praktiska frekven- Sen.

Såsom nämnts ovan är de tvà banden 60a, 60b fast anslutna till huvudmodulen 40. De ledande banorna 62 pà banden är anslutna till resp ingångar hos de elektriska kretsarna 70 i huvudmodulen 40.

En elektronisk utlösningskrets 45 är seriekopplad med trä- den 43. Utlösningskretsen 45 styrs av kretsarna 70, som därigenom kan bryta strömbanan mellan anslutningarna 41 och 42.

Modulernas 40 och 50 alla komponenter är företrädesvis ingjutna medelst en lämplig polymer.

I fig 3b visas en slavmodul 50 i sektion. Slavmodulen är likartad med huvudmodulen med undantag för de elektroniska kretsarna 70, som inte finns i slavmodulerna. Sàledes inne- fattar en slavmodul en första anslutning 51, en andra an- slutning 52, en ledande tråd 53 mellan dessa, en spole 54 och en utlösningskrets 55. Spolen 54 och utlösningskretsen 55 är anslutna till ett kontaktorgan 56, som finns för att ansluta de ledande banorna 62 pà ett band 60, vilket är På så sätt är bàde spolen 54 och utlösningskretsen 55 anslutna insatt i den ovannämnda slitsen 57 i slavmodulen 50. till huvudmodulens 40 elektroniska kretsar 70.

Huvudmodulens 40 elektroniska kretsar kommer nu att beskri- vas, delvis med hänvisningar till fig 4, som är ett block- schema över den elektroniska funktionen hos det i fig 2 70 75 20 25 30 35 516 685 _..-:;:::;;: _7_ visade arrangemanget med huvud- och slavmoduler. Den huvud- sakliga delen av kretsarna 70 är en processor 72. Denna är företrädesvis en làgspänningsversion av en processor typ 8751, som arbetar vid 2,7 volt eller lägre, och som är försedd med ett invändigt EEPROM. Den låga effektförbruk- ningen hos denna anordning, mindre än 150 pA, gör att denna krets är idealisk för denna typ av applikation.

En oscillator 74 är anordnad som en referensklocka för kretsarna 70. En föredragen frekvens för oscillatorn är 100 kHz.

Det finns även in inre referens 76. Föredragna värden för denna referens är 1 volt och 1 ohm.

Mellan spolen 44 och processorn 72 finns det även filter 78, vilka fungerar som stabilisatorer.

Vidare finns det en kondensator 80 med ett föredraget värde om 40 pF. Denna komponents funktion kommer att beskrivas nedan.

Mätsystemets funktion kommer nu att beskrivas i detalj.

Såsom redan har nämnts gäller, att strömmarna i ledningarna 12, som leder till förbrukarna 16, se fig 1, detekteras medelst spolarna 44, 54a, 54b, som finns i modulerna 40, 50a resp 50b. Mätvärdena leds till mikroprocessorns 72 ingångar. De faktiska strömmarna, som flyter till förbruka- ren 16, erhålls från mätvärdena medelst matematiska funk- tioner, som är kända för en fackman. Mätvärdena samplas med frekvensen 1000 Hz, dvs 1000 sampel tas per sekund. Samplen omfattar både ström- och spänningsvärden. Detta är nödvän- digt eftersom strömmen och spänningen i en kraftledning är inbördes förskjutna. För att åstadkomma en korrekt energi- mätning fordras därför både ström- och spänningsvärden.

Pä elkraftens grundfrekvens i ledningarna 12, normalt 50 eller 60 Hz, är det överlagrat en frekvensskiftmodulations- 70 75 20 25 30 35 516 685 :A213 _8_ signal (FSK) pà ett visst, odefinierat frekvensband. Denna FSK-signal används för kommunikation via en av kraftled- ningarna 12 mellan servern 20 och de olika elmätarna 30. I den föredragna utföringsformen utnyttjar denna kommunika- tion TCP/IP-protokollet. Detta protokoll är lämpat för denna typ av tillämpning, där det ibland är nödvändigt att sända ett meddelande flera gånger innan det framgångsrikt taS ETIIOC .

Varje elmätare 30, dvs huvudmodulen 40, har sin egen IP- adress. I mikroprocessorn 72 finns det en programvaruappli- kation, som listar meddelanden avsedda för denna speciella adress. Således hämtas FSK-signalen frán den i spolen 44 inducerade strömmen medelst filtret 78 och tolkas, och om den i meddelandets huvud givna adressen är korrekt, tolkas resten av meddelandet. Samtidigt tas mätvärden och lagras i minnet 73.

Tvà olika typer av mätvärden lagras: ett momentanvärde lagras som ett 16-bitsvärde och ett kumulativt värde lagras som ett 64-bitsvärde. Det kumulativa värdet är i själva verket en totalförbrukningsmätare, som häller reda pà den totalt förbrukade energin. Detta värde kan användas för faktureringsändamàl, såsom kommer att beskriva nedan.

Kommunikationen mellan servern 20 och huvudmodulerna 40 sker enligt någon lämplig kommandostruktur, som är anpassad till denna tillämpning. Således finns det kommandon för huvudmodulens 40 olika uppgifter. Ett exempel pà detta är kommandot GET_ACCOUNT. Servern 20 sänder detta kommando tillsammans med en IP-adress för elmätaren 30, som skall avläsas. När ifrågavarande mätare 30 läser kommandot, häm- tar den det kumulativa värdet från minnet 73 och sänder detta tillsammans med sin IP-adress vidare till kraftled- ningarna 12. Servern läser sedan detta meddelande och an- vänder värdet som grundval för fakturering. 10 15 20 25 30 35 516 685 _9_ Huvudmodulen 40 används även för sändning av data till servern 20. Emellertid är den från krafttillförseln erhåll- na energin inte tillräcklig för att överlagra en FSK-signal på ledningarna 12. Därför finns kondensatorn 80 för att lagra det erforderliga energin för sändning av FSK- signalen. I den föredragna utföringsformen har kondensatorn ett värde om ca 40 uF, vilket ger en spänning om 10 volt under 400 us. Således lagrar mikroprocessorn 72 meddelandet i en högspänningsbuffert och sänder sedan signalen.

En tillämpning, som är implementerad i huvudmodulen 40, är fjärrutlösningsfunktionen. För det fall en viss förbrukare skall utestängas från kraftnätet, tex beroende på att en tidigare faktura inte har betalats, kan elmätarens 30 säk- ringar lösas ut från servern 20. Detta utförs på följande sätt. Ett meddelande sänds till huvudmodulen 40, vilken hör till den elmätare 30 som skall lösas ut, och säger till den att öppna utlösningskretsarna 45. Elektronikkretsarna ger då ett öppningskommando till utlösningskretsarna 45, 55a, 55b, varigenom strömbanan genom modulerna bryts.

Om anslutningen bryts mellan huvudmodulen 40 och åtminstone en av slavmodulerna, detekteras detta av mikroprocessorn 70, eftersom det inte flyter någon ström genom slingan som innefattar slavspolarna 54. I så fall sänds ett meddelande till servern 20 som säger till den att elmätaren har manke- rat.

Det är även möjligt att kalibrera huvudmodulen 40 medelst ett förvalt FSK-mönster, som är överlagrat pà den normala strömmen i ledningarna 12. Exempelvis sänds en signal be- stående av enbart "l":or från servern 20. Denna signal representerar en viss strömnivå, som sedan detekteras och tolkas av huvudmodulen 40. Medelst denna detekterade ström- ändring kan modulen 40 självkalibreras. Sålunda inmatas en signal med en förvald nivå, och utnivån bestäms. Modulen kalibreras sedan tills utnivàn är lika med innivån. Med det beskrivna systemet utförs fakturering av kunderna pà föl- a 4 n o | u ; a o . nu 70 15 20 25 30 35 516 685 _10- jande sätt. Servern 20 insamlar och bearbetar totalförbruk- ningsavläsningarna från mätarna 30. En programvaruapplika- tion ställer sedan samman ett antal mätningar från en viss anordning med en förvald tariff och lägger till information om kontokunden 16. Detta ger full information för att för att skapa en post och därmed en räkning, som skall sändas till kunden på något konventionellt sätt, tex via Internet eller med vanlig post.

Eftersom fakturan, i ett elektroniskt format, innehåller all information om kunden och innehållet i fakturan som skall betalas, är den lämpad för att sändas direkt till en faktureringsservice. Faktureringsservicen låter kunden se kontot och räkningen via Internet och låter även ho- nom/henne välja något lämpligt sätt att betala den.

Fakturerings- och betalservicen kan låta kunden få tillgång till räkningens status och betalningssätten för den via (Set Top Box). Med en STB eller annan anordning, som är försedd med ett gräns- Internet, möjligen medelst en s.k. STB snitt för smartcard, är det möjligt att se mottagningen och status för elförbrukningen på displayen hos ett SWATS- Card®. Detta kompletta paket gör behovet av postförsändel- ser till kunden överflödigt. Det ger även elleverantören möjlighet att ha en diversifierad tariff, tex på basis av dygn eller timmar.

En föredragen utföringsform av uppfinningen har beskrivits ovan. En fackman inser emellertid att denna kan varieras man frångår uppfin- ett elektriskt tre- inom ramen för patentkraven, utan att ningsidén. Sålunda har här beskrivits fassystem. Man inser att uppfinningen lika väl är applicer- bar på ett enfassystem, och i så fall utelämnas slavmodu- lerna.

Vidare har anslutningen mellan huvud- och slavmodulerna visats i form av band, som är fast fästade till huvudmodu- len. Emellertid är varjehanda anslutningsorgan möjliga, så n u o n o | oo 10 75 20 25 'S16 685 _11- länge som det är omöjligt att avlägsna dem när de en gång är fastsatta. I en alternativ utföringsform är således banden 60 separata delar som sätts in i en slits både i huvud- och slavmodulen, som skall kopplas ihop. Alternativt är banden 60 i stället fast fästade på slavmodulerna. Även om frekvensskiftmodulation har beskrivits som den föredragna kommunikationsmetoden, är även andra kommunika- tionsmetoder möjliga, tex fasskiftmodulation (PSK).

Den beskrivna elmätaren har inte någon display. Ur teknisk synvinkel är detta fullt möjligt. För att efterkomma reg- lerna och även av lämplighetsskäl kan emellertid huvudmodu- len 40 innefatta ett displayorgan, tex en LCD, på vilket lagrade strömvärden visas. Även om strömmen har beskrivits ovan som den uppmätta stor- heten, mäts även spänningen för att beräkna den elektriska effekten.

Spolarna 44, 54 har beskrivits såsom anslutna med sina resp ändpartier till kretsarna 70. Emellertid kan även ett parti väsentligen i mitten av spolarna anslutas till kretsarna 70. På så sätt erhåller man fler signaler för efterföljande tolkning.

Claims (16)

IO 75 20 25 30 35 516 685 _l2_ Patentkrav

1. Metod för mätning av elenergi, som leds genom åtminstone en elektrisk ledare (12, 43; 53), innefattande följande steg: - att man avkänner ett elektromagnetiskt fält kring nämnda (12, 43;53) - att man härleder strömmen, som flyter genom nämnda leda- elektriska ledare vid en mätplats, och re, ur det avkända, elektromagnetiska fältet, kännetecknad av, _ - att momentana värden för strömmen lagras i ett elektro- (73), romagnetiska fältet, niskt minnesorgan som energiförsörjs av det elekt- och - att nämnda momentana värden, eller värden som härletts ur dessa momentana värden, sänds som digital information pa (12, 43; 53) som är anordnad pà avstånd från nämnda nämnda elektriska ledare till en sända- re/mottagare (20), mätplats.

2. Metod enligt kravet 1, varvid sändningen utförs medelst frekvensskiftmodulering.

3. Metod enligt kravet 1 eller 2, varvid avkänningen utförs medelst en elektriskt ledande spole, som är anordnad kring nämnda elektriska ledare (12, 43; 53). som är anslutningsbar till åtminstone en elek- (12),

4. Elmätare, trisk ledare och som innefattar: - organ (44, 54) för avkänning av ett elektromagnetiskt fält kring nämnda elektriska ledare (12); - organ (72) för att ur det avkända, elektriska fältet härleda strömmen, som flyter genom nämnda ledare, kännetecknad av: (72, 73) varvid lagringsorganen energiförsörjs av det elektromag- netiska fältet; och (44, 72, 78, 80) eller värden som härletts ut nämnda momentanvär- - organ för lagring av strömmens momentanvärden, - organ för sändning av nämnda momentan- värden, 70 75 20 25 30 35 516 685 _13- den som digital information, pà nämnda elektriska ledare till en sändare/mottagare (20), som är anordnad pá av- stànd från mätplatsen.

5. Mätare enligt kravet 4, som innefattar: - åtminstone en första anslutning (4l; 51), som är anslut- ningsbar till nämnda elektriska ledare (l2); andra anslutning (42; 52), som är anslut- (16): (45; 55), som är arrangerad för att koppla - åtminstone en ningsbar till en elektrisk last och - en omkopplare ihop nämnda första och andra anslutningar vid normal drift, och som pà kommando kopplar bort nämnda första an- slutning fràn nämnda andra anslutning.

6. Mätare enligt kravet 5, varvid omkopplaren styrs av en processor (72).

7. Mätare enligt kravet 6, varvid processorn (72) styrs av nämnda sändare/mottagare (20) via nämnda elektriska ledare (12).

8. Mätare enligt något av kraven 4-7, som innefattar åtmin- (40, stalleras som en säkring. stone en modul 50), vilken är arrangerad för att in-

9. Mätare enligt något av kraven 4-8, varvid mätaren är arrangerad för mätning av trefasenergi och utgörs av: (40), - en första anslutning (41), som är anslutningsbar till (12), - en andra anslutning (42), som är anslutningsbar till en - en första modul som innefattar: nämnda elektriska ledare och elektrisk last (16) och till den första anslutningen (41), samt - tvà andra moduler (50a, 50b), som vardera innefattar: - en första anslutning (5la, Slb), som är anslutningsbar till nämnda elektriska ledare (12), och o o o Q n n o . n a o n nu 10 75 20 25 30 35 516 ass _ 14 _ - en andra anslutning (52a, 52b), till en elektrisk last (16) som är anslutningsbar och till den första anslut- ningen (51a, 51b), varvid vardera av de andra modulerna (50a, 50b) är elekt- riskt anslutningsbar till den första modulen (40) medelst 60b), att fästas permanent till de första och andra modulerna. ett sammankopplingsorgan (60a, som är arrangerat för

10. Mätare enligt kravet 9, varvid sammankopplingsorganet innefattar ett band (60a, 60b), som är gjort av sprött material, företrädesvis polyester, varvid det pà bandet finns elektriskt ledande banor.

11. Mätare enligt kravet 9 eller 10, varvid sammankopp- 60b) (57a, 57b), när de har fästs permanent. lingsorganen (60a, är insatta i slitsar

12. Mätare enligt enligt något av kraven 4-11, varvid orga- nen för sändning av nämnda momentanvärden, eller värden som härletts ur nämnda momentanvärden, innefattar: - en processor (72); - en spole (44; 54), som är arrangerad kring nämnda elekt- riska ledare (12, 43; 53), varvid spolens ändar är an- slutna till processorn; - varvid en elektrisk ström, som styrs av processorn, indu- ceras i spolen, vilket resulterar i en motsvarande, indu- cerad ström i nämnda elektriska ledare, medelst vilken inducerade ström digital information överförs via nämnda elektriska ledare.

13. Mätare enligt kravet 12, varvid antalet varv i spolen (44; 54) är ca 500.

14. Mätare enligt något av kraven 4-13, varvid den digitala informationen sänds medelst frekvensskiftmodulation (FSK). o o - « ø s . Q ø ø n nu 10 516 685 _15_

15. Mätare enligt något av kraven 4-14, varvid strömmen, som flyter genom nämnda elektriska ledare, mäts med takten 1000 sampel per sekund.

16. System för mätning av elenergi innefattande: - ett elkraftnät (12), - en till elkraftnätet ansluten dator (20), kännetecknat av, att en elmätare (30) enligt något av kraven 4-15 är anslu~ ten till elkraftnätet. u | a o a . ~ u n f nu