专利名称：高密度计量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及配电系统的监控，尤其涉及监控电力供应自主母线的配电系统及其多 个分支电路。
背景技术：
在具有多个分支电路的配电系统中，由于种种理由，包括负载管理、电能质量分析 和租户计量，期望监控每个分支电路。过去，不得不用单独的仪表监控每个分支电路，从而 造成多个仪表、导线、存储器、处理器、通信端口等的冗余。开发了高密度计量(HDM)系统， 以用单个仪表监控具有多个分支电路的配电系统，并消除大量的冗余。结果，HDM显著节约 材料、空间和安装成本。在设计HDM系统时，目的是设计一种有效监控多个分支电路，并且精确、通用、方 便和经济的仪表。HDM—般具有为配电系统所共有的单一电压输入，和来自每个被监控分支 电路的每一相的电流输入。HDM监控一段时间内的电压输入和电流输入，并计算实时读数、 需求读数、电能读数和功率分析值。尽管所有HDM监控相同的输入，不过就HDM系统获取数 据、内部传送数据和处理数据的方式来说，仍然存在很多变化。为了设计一种通用的HDM，重要的是能够从各种各样的分支电路配置获取数据。 HDM 一般只监控配置都一样的分支电路。当单个配电板向各种各样的单相和/或多相负载 供电时，这是成问题的。围绕HDM的其他局限性源于HDM传送和处理获取的数据的能力。HDM的传送和/ 或处理数据的能力限制了它能够监控的分支电路的数量。必须仔细地权衡决定使用什么内 部通信系统或处理器来监控数目最多的电路，和实现这样的组件的成本。实施成本不仅包 括通信系统和处理器的成本，而且包括将受到影响的其它设计考虑因素，比如存储器要求、 布线和HDM的总尺寸。为了达到设计HDM的目的，重要的是拥有一种在HDM内获取、传送和处理数据的有 效方法。本发明的目的是满足这样的需要以及其他需要。
发明内容
按照一个实施例，监控AC配电系统的多个分支电路中的电功率的方法包括利用 主计量单元来监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电压，利用从多个分支电路中的 电流变换器接收多个电流输入的多个电流卡来监控多个分支电路的电流，在AC功率信号 的每个周期中多次在主计量单元中对被监控电压取样并在电流卡中对被监控电流取样，在 电流卡中确定被取样电流的频谱分量的幅度和角度，把代表至少所选频谱分量的幅度和角 度的数据从电流卡发给主计量单元，和把电压样本与至少所选频谱分量的幅度和角度存储 在主计量单元中。在一种实现中，只把幅度超过预定值的频谱分量发给主计量单元。优选地，主计量单元确定被取样电压的频谱分量的幅度和角度，并把代表电压频 谱分量的所述幅度和角度的数据存储在主计量单元中。
另外，优选地，主计量单元存储表征配电系统的系统电压类型，电流变换器和分支 电路配置的数据，使得主计量单元能够利用存储的特征数据以及存储的电压频谱分量和电 流频谱分量，计算在每个分支电路中消耗的功率。根据参考附图做出的各个实施例的详细说明，对本领域的普通技术人员来说，本 发明的上述及另外的各个方面将是显而易见的，下面提供附图的简要说明。
参考附图，阅读下面的详细说明，本发明的上述及其他优点将变得显而易见。图1是HDM监控的配电系统的功能方框图；图2是图1中的HDM的示意图；图3是包括在图1和2的HDM中的MMU的方框图；图4是图3的MMU的一般操作的流程图；图5是包括在图1和2的HDM中的CC的方框图；图6是图5的CC的一般操作的流程图；图7a和7b是在电力线信号的一个周期内，图5的CC的操作的图形实例；图8是在图3的MMU中定义分支电路参数的步骤的流程图；图9是与配电系统连接的HDM的一部分的方框图。
具体实施例方式
尽管下面将结合一些优选实施例描述本发明，不过应该理解本发明并不局限于这 些特殊实施例。相反，本发明意图覆盖可包括在由附加的权利要求限定的本发明的精神和 范围内的所有替代物、修改和等同方案。图1是从具有多个分支电路la、lb、lc的主母线1供电，并由高密度仪表(HDM) 2 监控的配电系统的简化配置。HDM 2是计量主母线1和所有分支电路，并且符合ANSI C12. 16. 1. 0、ANSI C12. 20. 0. 5，和 IEC62053-21 及 IEC62053_23Class 1 的功率计。HDM 2(1)经由线路3监控为配电系统所共有的瞬时电压，和(2)经由线路5及变流器(CT)fe监 控主母线1的瞬时电流。HDM 2还经由线路^、4b3c*CT 6a、6b、6c监控每个分支电路的 瞬时电流。HDM 2能够监控包括单相电路或多相电路，比如三线和四线电路的分支电路配置 的组合体。接下来转向图2，HDM 2包括主仪表单元(MMU) 20、标记为0C1-0C8的8个选项卡 21、背板22、用户接口 23和“监听”显示器对。MMU 20和选项卡21被置于单一单元或组件 中，并沿着公共背板22连接。用户接口 23和监听显示器M以菊花链形式被链接在一起， 并利用RS-485电缆经用户接口端口 25与MMU 20连接。MMU20是监控主母线1的电压和电 流，基本功能与PowerLogic PM800序列功率计或等同仪表相同的独立仪表。如下更详 细所述，通过存储分支电路参数，并获取每个分支电路的时间重合的频谱分量数据，MMU 20 还能够计量多个分支电路。选项卡21是可互换的�？樽榧ㄖ钊绲缌骺�(CC) 26、高 级通信卡27、1/0卡洲、记录卡等的选项。CC20—起工作，以监控多个分支电路 中的电流。CC沈专用于获取分支电路的电流数据，和操纵该数据。图2表示HDM 2的一个 实施例，其中选项卡21包括五个CC 26、一个高级通信卡27和两个I/O卡28。
参见图3，MMU 20包括电压输入45、电流输入46、分压网络47、取样与保持电路
48、模-数(A-D)转换器49、微处理器50、存储器51、通信端口31、用户接口端口 25和电源 52。图4中的流程图表示作为HDM 2的一部分，MMU 20是如何工作的。在步骤71，MMU 20确定配电系统的频率。为了确定频率，MMU 20微处理器50采用以电压输入45监控的配 电系统的电压为基础的过零均值技术。在步骤72，MMU 20根据频率产生取样选通控制信 号，取样选通控制信号包含1 个脉冲/电压基频周期，以获得(1)为配电系统所共有的电 压输入和(2)主电路和所有分支电路的电流输入的时间重合的样本。为了获取时间重合的 数据样本，在步骤73，控制信号被分发并被MMU的取样和保持电路48接收。控制信号还经 背板22被分发给选项卡21。在步骤74，MMU 20对主母线1的MMU的电压和电流输入取样，并把值存储在MMU 的存储器51中。控制信号脉冲的每个上升沿启动MMU 20的取样和保持电路48中的模拟 电压输入45和电流输入46的取样。在被发送给微处理器50之前，这些值经过A-D转换器49。重新参见图3，MMU电压输入45来源于主母线1。MMU电压输入45要求0_600相 电压。对大于该范围的系统电压来说，可以使用诸如变压器之类的电压变换器，使电压变到 可接受的电压输入范围中。电压输入45与用适当的电阻器形成的分压网络47连接，以把 电压衰减或按比例降低到MMU 20的集成电路组件M的可接受水平。MMU电流输入46来源于主母线1的电流。主母线1导线中的电流由诸如变流器之 类的电流变换器测量。按照配电系统的总额定值和MMU的电流输入46的最大额定值，确定 电流变换器的尺寸。在图4的步骤75，MMU 20确定是否存储了每个电压和电流模拟输入的1 个样 本。如果否，那么MMU 20接收另外的控制信号脉冲，并继续对所有模拟输入取样。当累积 了每个电压和电流模拟输入的1 个样本(相当于一个周期的样本)时，在步骤76，MMU的 微处理器50对前一周期内的被取样数据执行快速傅里叶变换(FFT)，以计算频谱(谐波) 分量的幅度和角度。随后在步骤77，把计算的频谱分量值存储在MMU的存储器51中。随后，在步骤78和79，MMU 20关于前一周期，最后的1 个样本从选项卡21获得 数据，并把数据存储在存储器51中，如下更详细所述。在步骤80，MMU 20把主母线1的所有存储的时间重合的电压和电流频谱分量幅度 和角度值及选项卡21数据，与存储的电路配置聚合在一起。MMU 20执行主电路和所有分支 电路的功率和波形计算。MMU 20执行的计算算出每个电路的实时读数、需求读数、电能读数 和功率分析值。下面的表1是对于每个电路可得到的读数的列表。在步骤81，MMU 20存储 每个电路的所有计算的结果。表 权利要求
1.一种监控AC配电系统的多个分支电路中的电功率的方法，包括 利用主计量单元来监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电压；利用从多个分支电路中的电流变换器接收多个电流输入的多个电流卡来监控多个分 支电路的电流；在AC功率信号的每个周期中，多次在主计量单元中对被监控电压取样并在电流卡中 对被监控电流取样；在电流卡中确定被取样电流的频谱分量的幅度和角度；把代表至少所选频谱分量的所述幅度和角度的数据从电流卡发给主计量单元；和 把电压样本与代表至少所选频谱分量的幅度和角度的数据存储在主计量单元中。
2.按照权利要求1所述的方法，还包括在主计量单元中确定被取样电压的频谱分量的幅度和角度；和 把代表电压频谱分量的所述幅度和角度的数据存储在主计量单元中。
3.按照权利要求2所述的方法，还包括在主计量单元中存储表征配电系统的系统电压类型、电流变换器和分支电路配置的数 据；和在主计量单元中利用所述存储的特征数据以及存储的代表电压频谱分量和电流频谱 分量的所述幅度和角度的数据来计算在每个分支电路中消耗的功率。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，通过在电流卡中对被取样电流进行快速傅里叶 变换来确定所述频谱分量幅度和角度。
5.按照权利要求1所述的方法，包括 比较频谱分量幅度和与基频相关的预定值；和 确定哪些频谱分量幅度大于所述预定值。
6.按照权利要求5所述的方法，其中，只有代表幅度超过预定值的电流频谱分量的幅 度和角度的数据才被发给主计量单元。
7.按照权利要求1所述的方法，其包括监控来自相同分支电路中的多个变换器的电流。
8.按照权利要求1所述的方法，其包括在所述主计量单元中产生代表将对监控的电压 和电流取样的时间的控制信号，把所述控制信号传给所述电流卡，并响应所述控制信号实 现对所述被监控电压和电流取样，以产生时间重合的样本。
9.按照权利要求1所述的方法，其中，单个电流卡对来自多个分支电路的电流取样。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，其电流被所述单个电流卡取样的所述多个分支 电路具有不同的电路配置。
11.按照权利要求1所述的方法，其中，公共背板耦接主计量单元和多个电流卡，和 单个机箱包含主计量单元、多个电流卡和公共背板。
12.按照权利要求11所述的方法，其中，数据经公共背板从电流卡发给主计量单元。
13.按照权利要求11所述的方法，其包括在所述计量单元中产生代表将对被监控电压和电流取样的时间的控制信号；和 经公共背板把所述控制信号传给多个电流卡。
14.按照权利要求1所述的方法，其中，所述被监控电压和电流的取样产生时间重合的样本。
15.按照权利要求1所述的方法，其还包括利用主计量单元来监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电流； 在主计量单元中对为所述多个分支电路所共有的被监控电流取样； 在主计量单元中确定为所述多个分支电路所共有的被取样电流的频谱分量的幅度和 角度；和把代表为所述多个分支电路所共有的电流频谱分量的所述幅度和角度的数据存储在主计量单元中。
全文摘要
一种监控AC配电系统的多个分支电路中的电功率的方法，包括利用主计量单元，监控为所述多个分支电路所共有的至少一个电压，利用从多个分支电路中的电流变换器接收多个电流输入的多个电流卡，监控多个分支电路的电流，在AC功率信号的每个周期中，多次在主计量单元中对被监控电压取样，和在电流卡中对被监控电流取样，在电流卡中确定被取样电流的频谱分量的幅度和角度，把代表至少所选频谱分量的幅度和角度的数据从电流卡发给主计量单元，和把电压样本与至少所选频谱分量的幅度和角度存储在主计量单元中。
文档编号G01R21/133GK102077098SQ200980123823
公开日2011年5月25日 申请日期2009年6月11日 优先权日2008年6月25日
发明者A·D·劳恩, R·W·卡特 申请人:施耐德电气美国股份有限公司
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