用于测量电路中的有功电功率的装置和方法与流程

1.本发明涉及电路中的电功率测量领域，诸如配电网、电力供应系统、配电盘、电气柜等。
2.更具体地，本发明涉及一种测量装置和方法，它允许准确地测量电路中的有功电功率。


背景技术：

3.众所周知，电表通常被用于测量电路中的有功功率。众所周知，这些测量设备保证了高精度水平，但它们通常昂贵且笨重，因此通常不适合在具有大量测量点的电路中使用。
4.为了克服这些问题，已经设计了使用中央测量单元和多个外围小型测量单元的测量装置，这些测量装置可以作为独立设备或电路的板载其他设备(例如切换设备)安装。
5.中央测量单元在电路的中央测量点处测量rms电压和电流(以及可能的其他物理量)，在该测量点处可以容易地接近导体(相导体和中性导体)。
6.外围测量单元在电路的外围测量点处测量rms电流，并且通过通信总线将所获取的检测值发送给中央测量单元。然后，中央测量单元计算流过电路的测量点的有功电功率。
7.即使它们在安装的灵活性方面示出相关的优点，这使得它们特别适用于在具有许多测量点的电路中使用，当前可用的这种类型的测量装置在测量流过电路的外围测量点的有功电功率时仍然示出相对较低的准确性水平。这种不便基本上是由于功率测量通常基于电压和电流的rms测量、相移测量(假设电压和电流具有完美的正弦波形)或电路中的功率因数的估计的情况。
8.附加地，现有技术的这些测量装置需要在每个外围测量点安装相对复杂的感测部件(特别是用于进行上述相移测量)，从而增加了它们的总体成本。


技术实现要素：

9.本发明的主要目的是提供一种用于测量电路中的有功电功率的装置和方法，它允许解决或减轻上面证实的技术问题。
10.在该目的内，本发明的目的是提供一种测量装置和方法，该测量装置和该方法特别适用于在具有大量测量点的电路中使用，并且同时确保在电路的各个测量点处测量有功功率的高准确性水平。
11.本发明的另一目的是提供一种测量装置和方法，它在现场安装和使用相对容易，并且在工业水平上实施相对便宜。
12.该目的和这些目的通过根据以下权利要求1和相关从属权利要求的测量装置实现。
13.在一般定义中，根据本发明的测量装置包括：
[0014]-第一测量单元，被可操作地耦合至电路的第一测量点。所述第一测量单元被配置为获取与所述电路的第一测量点处的一个或多个电压相关的第一检测值；
[0015]-多个第二测量单元，被可操作地耦合至所述电路的多个第二测量点。每个第二测量单元被配置为获取与所述电路的对应的第二测量点处的一个或多个电流相关的第二检测值。
[0016]
上述第一测量单元和第二测量单元能够以有线或无线方式彼此通信。
[0017]
根据本发明，上述第一测量单元被配置为以预定义的广播频率并且在后续测量间隔期间以循环方式向所述第二测量单元发送广播消息。每个广播消息包括由所述第一测量单元获取的第一检测值。
[0018]
根据本发明，每个第二测量单元被配置为在每个测量间隔期间接收广播消息，该广播消息由所述第一测量单元发送并且包括在所述测量间隔之前的获取时刻由所述第一测量单元获取的第一检测值。
[0019]
根据本发明，每个第二测量单元被配置为响应于接收到所述广播消息，在所述测量间隔期间计算指示流过所述电路的对应的第二测量点的有功电功率的第三检测值。
[0020]
根据本发明，每个第二测量单元被配置为在计算时刻计算所述第三检测值，该计算时刻被包括在所述测量间隔中并且相对于所述测量间隔期间接收到的广播消息中所包括的第一检测值的获取时刻延迟了预定义的时延时间。
[0021]
根据本发明，每个第二测量单元被配置为基于直到所述计算时刻为止由所述第二测量单元接收的第一检测值以及基于直到接收到的广播消息中所包括的第一检测值的获取时刻为止由所述第二测量单元获取的第二检测值来计算所述第三检测值。
[0022]
根据本发明，每个第二测量单元被配置为在所述测量间隔期间基于所述计算时刻和所述时延时间来计算接收到的广播消息中所包括的第一检测值的获取时刻。
[0023]
优选地，所述预定义的时延时间对于所有第二测量单元具有恒定且相等的持续时间。
[0024]
优选地，所述预定义的时延时间是每个测量间隔的持续时间的整数倍。
[0025]
优选地，每个第二检测单元被配置为获取与所述电路的对应的第二测量点处的一个或多个附加物理量相关的附加检测值。
[0026]
优选地，每个广播消息包括寻址第二测量单元的地址值，从该第二测量单元期望响应消息。
[0027]
在这种情况下，每个第二测量单元优选地被配置为如果所述测量单元被接收到的广播消息中所包括的地址值寻址，则响应于接收到所述广播消息，在所述测量间隔期间向所述第一测量单元发送响应消息。所述响应消息包括由所述第二测量单元计算或检测的一个或多个检测值。
[0028]
优选地，所述第一测量单元包括被配置为感测所述电路的第一测量点处的一个或多个电压的计量模块、被配置为向所述第二测量单元发送所述广播消息的广播模块以及被配置为控制所述计量模块和所述广播模块的操作的控制模块。
[0029]
计量模块被配置为获取所述第一检测值并且将所述第一检测值发送给广播模块。
[0030]
广播模块被配置为在每个测量间隔期间将所述第一检测值编码在广播消息中，并且将所述广播消息发送给所述第二测量单元。
[0031]
优选地，广播模块被进一步配置为在每个测量间隔期间对从第二测量单元接收的响应消息中所包括的检测值进行解码，并且将所述检测值发送给所述控制模块。
[0032]
优选地，广播模块被配置为与广播消息的传输同步地与计量模块交互。在这种情况下，计量模块在广播消息由所述广播模块发送的每个测量间隔期间发送上述检测值。
[0033]
在另一方面中，本发明涉及一种根据以下权利要求9的配电系统。
[0034]
在又一方面中，本发明涉及一种根据权利要求10和相关从属权利要求的用于测量电路中的有功电功率的方法。
[0035]
根据本发明的方法包括以下步骤：
[0036]-获取与电路的第一测量点处的一个或多个电压相关的第一检测值；
[0037]-获取与电路的多个第二测量点处的一个或多个电流相关的第二检测值。
[0038]
根据本发明的方法进一步包括以下步骤：
[0039]-在所述第一测量点处，以预定义的广播频率并且在后续测量间隔期间以循环方式向所述第二测量点发送广播消息。每个广播消息包括在所述第一测量点处获取的第一检测值；
[0040]-在每个第二测量点处，在每个测量间隔期间接收广播消息，该广播消息从所述第一测量点发送并且包括在所述测量间隔之前的获取时刻在所述第一测量点处获取的第一检测值；
[0041]-在每个第二测量点处，响应于接收到所述广播消息，计算指示流过所述电路的对应的第二测量点的有功电功率的第三检测值。
[0042]
根据本发明，所述第三检测值在广播消息被接收的测量间隔中所包括的计算时刻被计算。相对于接收到的广播消息中所包括的第一检测值的获取时刻，计算时刻被延迟了预定义的时延时间。
[0043]
根据本发明，所述第三检测值是基于直到所述计算时刻为止在所述第二测量点处接收的第一检测值以及基于直到接收到的广播消息中所包括的第一检测值的获取时刻为止在所述第二测量点处获取的第二检测值来计算的。
[0044]
根据本发明，接收到的广播消息中所包括的第一检测值的获取时刻基于所述计算时刻和所述时延时间来计算。
[0045]
优选地，所述预定义的时延时间对于所有第二测量点具有恒定且相等的持续时间。
[0046]
优选地，所述预定义的时延时间是每个测量间隔的持续时间的整数倍。
[0047]
优选地，本发明的方法包括在每个第二测量点处获取与一个或多个附加物理量相关的附加检测值的步骤。
[0048]
优选地，每个广播消息包括指示第二测量点的地址值，从该第二测量点期望响应消息。
[0049]
在这种情况下，本发明的方法优选地包括以下步骤：如果所述第二测量点由所述广播消息中所包括的地址值指示，则在所述测量间隔期间，响应于接收到所述广播消息，在每个第二测量点处将响应消息发送给所述第一测量点。响应消息包括在所述第二测量点处计算或检测的一个或多个检测值。
附图说明
[0050]
本发明的进一步的特点和优点将从附图中仅通过示例而非限制的方式图示的优
选但非排他性实施例的描述中更清晰地显现出来，其中：
[0051]-图1示意性地示出了根据本发明的包括测量装置的电力系统；
[0052]-图2示意性地示出了根据本发明的实施例的测量装置的测量单元；
[0053]-图3至图5示意性地示出了根据本发明的测量装置的操作。
具体实施方式
[0054]
参照所提及的附图，图1示意性地示出了根据本发明的包括电路100和测量装置1的电力系统500。
[0055]
电路100可以是例如配电网、电力供应装置、配电盘、电气柜等。
[0056]
电路100可以是低压或中压类型：因此，它可以操作高达数十kv，例如高达100kv ac。
[0057]
电路100可以具有单相或多相类型，例如三相类型。在下文中，仅为了简单起见，本发明将特别参照具有三个电相位的电路100来讨论。这种选择并不旨在限制本发明的范围。将从以下描述中更好地显现出来，本发明的测量装置可以被容易地适用于在单相电路或具有不同数量的电相位的电路中使用。
[0058]
根据本发明，测量装置1在电路的一个或多个测量点101、102处(更具体地在第一测量点101和多个第二测量点102处)被可操作地耦合至电路100。
[0059]
原则上，测量点101、102可以被布置在沿着电路100的任何位置处，只要它们具有基本上相等的电压(由于电缆连接或其他原因造成的小电压降在此处被认为是可忽略的)。
[0060]
优选地，第一测量点101被布置在电路的位置处，在该位置处，电导体(例如相导体和可能的中性导体)可以容易地被测量单元接近。
[0061]
有利地，第一测量点101是中央测量点(即，位于电路的中央位置)，而第二测量点102是与第一测量点101电连接的外围测量点(即，位于电路的外围位置)。作为示例，第一测量点101可以位于电路的初级电线101a处，该主电线101a从合适的电功率源接收输入ac电功率，而第二测量点102可以位于馈送合适的电负载或电连接至电路的另一区段的次级电线102a处。
[0062]
根据本发明，测量装置1包括被可操作地耦合至电路的第一测量点101的第一测量单元10。
[0063]
第一测量单元10被配置为获取和存储与第一测量点101处的一个或多个瞬时电压相关的第一检测值v(t)＝[v1(t),v2(t),v3(t)]。
[0064]
所获取的第一检测值v(t)可以指示一个或多个相位到相位瞬时电压或一个或多个相位到中性瞬时电压。
[0065]
优选地，所获取的第一检测值v(t)指示一个或多个瞬时电压(例如每个电相位一个)。在这种情况下，它们可以被表示为向量v(t)＝[v1(t),v2(t),v3(t)])。
[0066]
所获取的第一检测值v(t)方便地由第一测量点101处的上述瞬时电压的波形的数字采样形成。
[0067]
第一测量单元10可以是独立单元，或者可以被安装在电路的板载另一设备上，例如切换设备。
[0068]
优选地，第一测量单元10包括电压感测部件(未示出)，它被配置为感测第一测量
点101处的一个或多个相位到相位瞬时电压或一个或多个相位到中性电压。
[0069]
优选地，第一测量单元10包括被可操作地耦合至上述感测部件的第一采样部件(未示出)，以收集检测电压的波形的数字样本。上述第一采样部件以合适的采样频率操作，优选地在几khz的量级，例如被包括在4至8khz的范围内。根据本发明的一些实施例，第一测量单元10可以被配置为在第一测量点101处获取与电路的一个或多个附加物理量相关的检测值。
[0070]
这种进一步的检测值可以包括例如rms电流值、峰值电流值、rms电压值、峰值电压值、有功或无功功率值、指示电流谐波含量的检测值、指示电压谐波含量的检测值、温度值、湿度值等。
[0071]
为了获取这些附加检测值，第一测量单元10可以包括第一附加感测部件(未示出)，该感测部件被可操作地耦合至上述数字采样部件，以收集这些附加物理量的数字样本。
[0072]
优选地，第一测量单元10包括：合适的第一存储部件(未示出)，它被配置为存储获取的检测值；以及合适的第一控制部件(图2，附图标记13)，以管理测量单元的一般操作。
[0073]
一般来说，上述电压感测部件、第一采样部件、第一附加感测部件、第一存储部件和第一控制部件可以根据已知类型的解决方案来布置，并且为了简洁起见，此处不再以进一步的细节描述。
[0074]
根据本发明，测量装置1包括被可操作地耦合至电路的多个第二测量点102的多个第二测量单元20。
[0075]
每个第二测量单元20被配置为在对应的第二测量点102处获取和存储与一个或多个瞬时电流相关的第二检测值i(t)。
[0076]
所获取的第二检测值i(t)可以指示所有电相位中的单个瞬时电流。在这种情况下，第二检测值可以被表示为向量i(t)＝[i(t)])。备选地，所获取的第二检测值i(t)可以指示多个瞬时电流(例如每个电相位一个)。在这种情况下，第二检测值可以被表示为向量i(t)＝[i1(t),i2(t),i3(t)])。
[0077]
所获取的第二检测值i(t)方便地由对应的第二测量点102处的上述瞬时电流的波形的数字采样形成。
[0078]
优选地，每个第二测量单元20包括或被可操作地耦合至电流感测部件(未示出)，该电流感测部件被配置为在对应的第二测量点102处感测一个或多个瞬时电流。
[0079]
优选地，每个第二测量单元20包括被可操作地耦合至上述感测部件的第二采样部件(未示出)，以合适的采样频率(例如4至8khz)收集检测电流的波形的数字样本。
[0080]
将从下文中更好地显现出来，响应于接收到来自第一测量单元10的广播消息，每个第二测量单元20的第二采样部件被触发。因此，第一测量单元10和每个第二测量单元20的采样部件自然以与第一测量单元10的第一采样部件相同的采样频率操作。
[0081]
根据本发明的一些实施例，每个第二测量单元20可以被配置为在对应的第二测量点102处获取和存储与电路的一个或多个附加物理量相关的附加检测值s(t)。
[0082]
这种进一步的检测值可以包括rms电流值、峰值电流值、rms电压值、峰值电压值、温度值、湿度值等。
[0083]
为了获取这些附加检测值，每个第二测量单元102包括或者被可操作地耦合至第
二附加感测部件(未示出)，该感测部件被可操作地耦合至上述第二采样部件，以收集这些附加物理量的数字样本。
[0084]
优选地，每个第二测量单元20包括：合适的第二存储部件(未示出)，被配置为存储所获取的检测值和所接收的广播消息；以及合适的第二控制部件(未示出)，以管理测量单元的一般操作。
[0085]
一般来说，上述电流感测部件、第二采样部件、第二附加感测部件、第二存储部件和第二控制部件可以根据已知类型的解决方案来布置，并且为了简洁起见，此处不再以进一步的细节描述。
[0086]
根据本发明，第一测量单元10和第二测量单元20能够彼此通信。
[0087]
优选地，如图1所示，测量单元10、20以有线方式通信。在这种情况下，测量装置1有利地包括通信总线30，例如rs-485总线，它可操作地耦合测量单元10、20。
[0088]
然而，根据本发明的一些实施例，测量单元10、20之间的通信可以通过合适的通信信道(例如wi-fi
tm
、bluetooth
tm
或zigbee
tm
通信信道)以无线方式发生。
[0089]
根据本发明，第一测量单元10被配置为循环地向第二测量单元20发送广播消息mb。
[0090]
第一测量单元10以预定义的广播频率fb在具有预定义持续时间的后续测量间隔中发送广播消息mb。
[0091]
广播频率fb(广播消息mb用其发送)优选地在几khz的量级，例如被包括在4至8khz的范围内。
[0092]
测量间隔的持续时间td显然取决于广播频率fb。作为示例，针对8khz的广播频率，每个测量间隔的持续时间td为0,125ms。
[0093]
广播频率fb优选地与检测到的物理量的采样频率一致，使得第一测量单元对广播消息mb的传输与相同的第一测量单元10对瞬时电压(可能还有第一附加物理量)的检测以及第二测量单元20对瞬时电流(可能还有第二附加物理量)的检测同步。即从下文中更好地显现出来，该解决方案有利地允许对流过第二测量点的有功电功率执行实时测量(即，具有相对较短的时延时间的测量)。
[0094]
然而，根据本发明的一些实施例，广播频率fb可以低于检测到的物理量的采样频率，例如如果采样频率是8khz，则为4khz。
[0095]
每个广播消息mb包括:由第一测量单元10获取的第一检测值v(t)，并且优选地，包括寻址第二测量单元20的地址值a，从中期望响应消息mr。
[0096]
优选地，地址值a指示第二测量单元20的逻辑地址或网络地址。
[0097]
图4示出了由测量单元10发送的广播消息mb的示例。
[0098]
如在许多通信协议中所预见的，广播消息mb包括有效载荷部分和crc(循环冗余校验)部分。有效载荷部分包括：控制字段，该控制字段包括第二测量单元20的地址值a；以及数据字段，该数据字段包括由第一测量单元10获取的第一检测值v(t)＝[v1(t),v2(t),v3(t)]。
[0099]
如上面提及的，广播消息mb的传输优选地与第一检测值v(t)的获取过程同步地执行。在这种情况下，每个广播消息mb的第一检测值v(t)将包括每个检测到的瞬时电压的波形的单个数字样本。类似地，由每个第二测量单元20获取的第二检测值i(t)将包括每个检
测到的瞬时电流的波形的单个数字样本。
[0100]
如果广播频率fb低于第一测量单元10的采样频率，则每个广播消息mb的第一检测值v(t)将包括每个检测到的瞬时电压的波形的数字样本的集合，而由每个第二测量单元20获取的第二检测值i(t)将包括每个检测到的瞬时电流的波形的数字样本的集合。
[0101]
根据本发明，每个第二测量单元20被配置为在每个通用测量间隔tj期间接收第一测量单元10在相同测量间隔tj期间发送的广播消息m
b,j
。
[0102]
在每个测量间隔tj期间，由第一测量单元10发送并且由每个第二测量20接收的广播消息m
b,j
包括由第一测量单元10在上述测量间隔tj之前的获取时刻tk获取的第一检测值v(t)。
[0103]
广播消息mb的传输/接收机制参照图3更好地解释。
[0104]
第一测量单元10被假设在通用测量间隔tj期间发送广播消息m
b,j
。
[0105]
发送的广播消息m
b,j
包括第一测量单元10在测量间隔tj之前的给定获取时刻tk获取的第一检测值v(t)。
[0106]
如图3所示，第一检测值v(t)的获取时刻tk优选地与测量间隔tj之前的特定测量间隔tk的开始时刻一致，并且与该测量间隔相隔一定时间。
[0107]
这种情况是相当合理的，因为获取时刻实际上可以作为开始测量间隔tk的参考时刻，或者它实际上可以与测量间隔tk的实际开始时刻相隔可忽略不计的时间。
[0108]
为了简单起见，如图3所示，测量装置1的操作在下文中将参照第一检测值v(t)的获取时刻tk优选地与某个测量间隔tk的开始时刻一致的情况来描述。这种选择并不旨在限制本发明的范围。事实上，原则上，第一检测值v(t)的获取时刻tk可以不同于测量时刻tk的开始时刻，并且它可以与测量时刻tk相隔可测量的时间。
[0109]
通用第二测量单元20在上述通用测量间隔tj期间接收由第一测量单元10发送的广播消息m
b,j
。每个第二测量单元20接收广播消息m
b,j
时，相对于第一测量单元10发送所述广播消息的时间延迟可以忽略不计。
[0110]
根据本发明，每个第二测量单元20被配置为在上述通用测量间隔tj期间，响应于接收到广播消息m
b,j
，计算第三检测值p(t)，它指示流过电路的第二测量点102的有功电功率，该第二测量点102对应于所述第二测量单元。
[0111]
所测量的第三检测值p(t)可以指示针对所有电相位测量的有功功率的总和。在这种情况下，第三检测值可以被表示为向量p(t)＝[p(t)])。备选地，测量的第三检测值p(t)可以指示每个电相位的有功功率。在这种情况下，第三检测值可以被表示为向量p(t)＝[p1(t),p2(t),p3(t)])。
[0112]
根据本发明，每个第二测量单元20被配置为在计算时刻tc计算第三检测值p(t)，该计算时刻tc被包括在广播消息m
b,j
被接收的测量间隔tj中。
[0113]
相对于第二测量单元20接收到的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk，计算时刻tc延迟预定义的时延时间t
l
。
[0114]
时延时间t
l
实质上是由于第一测量单元10和第二测量单元20的电子组件的固有时延造成的时间延迟。换言之，时延时间t
l
可以基本上被定义为：
[0115]
t
l
＝t
l1
+t
l2
[0116]
其中t
l1
是由第一测量单元10的电子设备引入的时间延迟(例如用于获取第一检测
值v(t)并且将其编码在要发送给第二测量单元20的广播消息m
b,j
中)，并且t
l2
是由每个第二测量单元20的电子设备引入的时间延迟(例如用于解码接收到的广播消息m
b,j
并且存储所述广播消息中所包括的第一检测值v(t))。
[0117]
通常，时延时间t
l
取决于第一测量单元10和第二测量单元20的电子设备的物理特点。
[0118]
优选地，预定义的时延时间t
l
对于所有第二测量单元20是恒定且相等的。
[0119]
优选地，预定义的时延时间t
l
是每个测量间隔tj、tk的持续时间td的整数倍。作为示例，如果测量间隔具有0,125ms的持续时间，则时延时间可以是t
l
＝35*td＝4,125ms。
[0120]
方便地，每个第二测量单元20被配置为存储指示时延时间t
l
的预定义时间值。如在下文中更好地解释的，该存储的时间值由每个第二测量单元20使用，以计算接收到的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk。
[0121]
根据本发明，每个第二测量单元20被配置为基于直到计算时刻tc为止由第二测量单元20接收的第一检测值v(t)以及基于直到接收到的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk为止由第二测量单元20获取的第二检测值i(t)来计算第三检测值p(t)。
[0122]
参照广播消息m
b,j
被接收的通用测量间隔tj，为计算第三检测值p(t)而选择的第一检测值v(t)是在直到考虑到的测量间隔tj中所包括的有功功率的计算时刻tc为止的预定义时间段t期间(通过在多个后续测量间隔期间接收的多个不同广播消息)接收的那些检测值。
[0123]
因此，为计算第三检测值p(t)而选择的第二计算值i(t)是在直到测量间隔tj中的广播消息mb中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk为止的相同预定义时间段t期间获取的那些计算值。
[0124]
优选地，用于计算第三检测值p(t)的预定义时间段t取决于电网频率来计算。作为示例，如果电网频率为fm＝50hz，则上述预定义时间段为t＝1/fm＝20ms。
[0125]
每个第二测量单元20被配置为基于有功功率的计算时刻tc以及基于相对于所述获取时刻的预定义时延时间t
l
，计算在测量间隔tj期间接收的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk。
[0126]
由通用第二测量单元20执行的第三检测值p(t)的计算机制在下文中参照图3和图5简要解释。
[0127]
如上面图示的，第二测量单元20连续存储从第一测量单元10接收的第一检测值v(t)和获取的第二检测值i(t)。
[0128]
响应于以通用测量间隔tj接收到广播消息m
b,j
，第二测量单元20选择所述第二测量单元在直到所述广播消息的计算时刻tc为止的预定义时间段t期间接收的第一检测值v(t)。
[0129]
所选的第一检测值{vj(t)，v
j-1
(t)，
…
，v
j-n+1
(t)}包括第二测量单元20在测量间隔tj期间接收到的第一检测值v
j(t)
和第二测量单元20在测量间隔tj之前的n-1个测量间隔t
j-1
、
…
、t
j-n+1
期间接收的第一检测值v
j-1
(t)、
…
、v
j-n+1
(t)，n＝t/td，其中td是每个测量间隔的持续时间。显然，第一检测值v
j-1(t)
、
…
、v
j-n+1(t)
被包括在第一测量单元10在测量间隔tj之前的n-1个测量间隔t
j-1
、
…
、t
j-n+1
期间发送并且由第二测量单元20接收的对应的n-1个不同广播消息中。
[0130]
响应于以相同的测量间隔tj接收广播消息m
b,j
，第二测量单元20进一步选择所述第二测量单元在与直到有功功率的计算时刻tc为止的上述预定义时间段t相对应的时间段期间获取的第二检测值i(t)。
[0131]
所选的第二检测值{ik(t)，i
k-1
(t)，
…
，i
k-n+1
(t)}包括：在测量间隔tk期间由第二测量单元20获取的第二检测值ik(t)，该测量间隔tk包括测量间隔tj中的广播消息mb中所包括的第一检测值v(t)的获取瞬间tk；以及在测量间隔tk之前的n-1个测量间隔t
k-1
、
…
、t
k-n+1
期间由第二测量单元20获取的第二检测值i
k-1
(t)、
…
、i
k-n+1
(t)，n＝t/td，其中td是每个测量间隔的持续时间。换言之，所选的第二检测值{ik(t)，i
k-1
(t)，
…
，i
k-n+1
(t)}包括第二测量单元20在获取时刻tk和获取时刻tk之前的获取时刻序列t
k-1
、
…
、t
k-n+1
(其中n＝t/td)获取的第二检测值ik(t)。
[0132]
第二测量单元20不明确知道在考虑的测量间隔tj接收的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的实际获取时刻tk，因为接收到的广播消息不包括指示所述获取时刻的时间戳。
[0133]
然而，第二测量单元20可以基于以下关系计算这种获取时刻：tk＝tc–
t
l
，其中t
l
是接收到的广播消息的时延时间，并且tc是测量间隔tj期间有功功率的计算时刻(显然，计算时刻tc本身是已知的)。
[0134]
鉴于上文，显而易见的是，所选的第一检测值{vj(t)，v
j-1
(t)，
…
，v
j-n+1
(t)}是直到有功功率的计算时刻tc为止由第二测量单元20接收和存储的最后一个第一检测值，该计算时刻tc被包括在最后一个广播消息m
b,j
被接收的测量间隔tj中。
[0135]
相反，所选的第二检测值{ik(t)，i
k-1
(t)，
…
，i
k-n+1
(t)}是直到用最后一个广播消息m
b,j
接收到的第一检测值v(t)的获取时刻tk为止由第二测量单元20获取和存储的最后一个第二检测值。
[0136]
因此，所选的第一检测值{vj(t)，v
j-1
(t)，
…
，v
j-n+1
(t)}和第二检测值{ik(t)，i
k-1
(t)，
…
，i
k-n+1
(t)}指的是它们分别由第一测量单元10和第二测量单元20获取的相同测量间隔tk(参见图3-测量间隔tk中用灰色表示的块)。然后这些检测值在另一后续测量间隔tj期间被处理，以计算有功功率(参见图3-测量间隔tj中用灰色表示的块)。
[0137]
基于所选的第一检测值{vj(t)，v
j-1
(t)，
…
，v
j-n+1
(t)}和所选的第二检测值{ik(t)，i
k-1
(t)，
…
，i
k-n+1
(t)}，第二测量单元20计算第三检测值p(t)。
[0138]
第二测量单元20方便地计算计算时刻tc的第三检测值p(t)，该计算时刻tc被包括在最后一个广播消息m
b,j
被接收的计算时刻tj中。针对一个或多个电相位，有功功率的计算可以基于以下关系：
[0139][0140]
其中i(t)和v(t)是上述所选的第一检测值和第二检测值中所包括的值，并且t是用于选择上述第一检测值和第二检测值所考虑的预定义时间段。
[0141]
显然，根据本领域技术人员熟知的离散化方法，在第一检测值和第二检测值的离散集合的基础上，在第三检测值p(t)的计算中出现的积分算子被数值近似。
[0142]
可以证实，在测量间隔tj的开始时刻tj，第一测量单元获取第一检测值v*(t)，该第
一检测值将被包括在所述第一测量单元的未来广播消息(图3中未示出)中，并且将被用于未来的有功功率计算中。
[0143]
在测量间隔tj期间，响应于接收到广播消息m
b,j
，并且相对于开始时刻tj具有可忽略的延迟，第二测量单元20获取将被用于未来的有功功率计算的第二检测值i*(t)。
[0144]
如上面提及的，由第一测量单元10发送的每个广播消息mb优选地包括指示特定第二测量单元20的地址值a。
[0145]
在这种情况下，每个第二测量单元20优选地被配置为如果所述第二测量单元由接收到的广播消息mb中所包括的地址值a指示，则响应于在测量间隔接收到广播消息mb，向第一测量单元10发送响应消息mr。
[0146]
优选地，响应消息mr包括由接收到的广播消息mb寻址的第二测量单元20计算或检测的一个或多个检测值。
[0147]
优选地，寻址的第二测量单元20的响应消息mr包括由所述第二测量单元计算的第三检测值p(t)。
[0148]
作为替代方案，寻址的第二测量单元20的响应消息mr可以包括由所述第二测量单元检测的第二检测值i(t)。
[0149]
作为另一替代方案，寻址的第二测量单元20的响应消息mr可以包括由所述第二测量单元检测的可能的附加检测值s(t)。
[0150]
图3示意性地图示了通用第二测量单元20的响应消息的传输机制。
[0151]
参照图3，第二测量单元20以通用测量间隔tk接收第一测量单元10发送的广播消息m
b,k
。在这种情况下，广播消息m
b,k
的地址值a不处理第二测量单元20。因此，后者根据上面图示的计算机制计算第三检测值p(t)，但不向第一测量单元10发送任何响应消息。
[0152]
然而，后者将从不同于所考虑的第二测量单元20的另一第二测量单元接收响应消息m
r,k
。
[0153]
在另一通用测量间隔tj，第二测量单元20接收寻址所述第二测量单元的广播消息m
b,j
。在这种情况下，第二测量单元20计算第三检测值p(t)，并且向第一测量单元10发送合适的响应消息m
r,j
。第一测量单元10将接收由考虑的第二测量单元20发送的响应消息m
r,j
。
[0154]
鉴于上文，重要的是要注意，即使每个第二测量20未由来自第一测量单元10的广播消息处理，每个第二测量20都会连续计算第三检测值p(t)。
[0155]
优选地，第一测量单元10被配置为以取决于广播频率fb和第二测量单元的总数的轮询频率循环地轮询(即，通过合适的地址值a寻址)每个第二测量单元20。作为示例，通用第二测量单元20的轮询频率f
p
可以基于以下关系f
p
＝fb/s来计算，其中fb是广播频率，并且s是第二测量点102的总数。
[0156]
图4示出了由通用第二测量单元20发送的响应消息mr的示例。而且在这种情况下，响应消息mr优选地包括有效载荷部分和crc部分。有效载荷部分包括数据字段，它包括由第二测量单元20获取或计算的检测值。
[0157]
优选地，响应消息mr的传输与每个第二测量单元20对检测值的获取或计算过程同步执行。
[0158]
在这种情况下，响应消息mr包括由第二测量单元20在广播消息mb被发送的相同对应测量间隔中获取或计算的检测值。
[0159]
图2示意性地示出了根据本发明的一些实施例的第一测量单元10的内部结构。
[0160]
第一测量单元10包括计量模块11，它被配置为感测电路的第一测量点101处的一个或多个瞬时电压。
[0161]
计量模块11包括用于检测第一测量点101处的电压(例如相位到相位瞬时电压或相位到中性瞬时电压)的电压感测部件，并且可能进一步包括用于检测上述附加物理量的感测部件。
[0162]
计量模块11进一步包括被可操作地耦合至上述感测部件的采样部件，以收集检测到的物理量的数字样本。
[0163]
第一测量单元10进一步包括广播模块12，它被配置为将广播消息mb发送给第二测量单元20。
[0164]
方便地，计量模块11和广播模块12能够优选地通过内部通信总线或通信接口彼此通信。
[0165]
如上面解释的，广播模块12附加地能够以有线或无线方式与第二测量单元20通信。
[0166]
第一测量单元10进一步包括控制模块13，该控制模块被配置为控制和协调上述计量模块和广播模块的操作，并且包括合适的存储部件，它可以被分布在上述计量模块和/或广播模块和/或控制模块的级别上。
[0167]
根据本发明的这些实施例，计量模块11被配置为获取上述第一检测值v(t)并且将所述第一检测值发送给广播模块12。
[0168]
广播模块12被配置为将接收到的第一检测值v(t)编码在广播消息mb中，并且将所述广播消息发送给第二测量单元20。
[0169]
上述编码任务以与采样部件的采样频率一致的预定义广播频率循环地执行。
[0170]
当采样部件的采样频率与广播频率fb一致时，如上面图示的，上述编码任务在后续测量间隔中被执行。
[0171]
优选地，广播模块12被配置为接收由所发送的广播消息寻址的第二测量单元20发送的响应消息mr。
[0172]
在这种情况下，在每个测量时间间隔期间，广播模块12被配置为解码每个接收到的响应消息mr中所包括的检测值p(t)、i(t)或s(t)，并且将所述检测值发送给控制模块13。
[0173]
优选地，广播模块12被配置为与广播频率fb同步地与控制模块13交互。在这种情况下，广播模块12在每个测量间隔期间发送或接收上述检测值。
[0174]
在另一方面中，本发明涉及一种用于测量电路100中的有功电功率的测量方法。
[0175]
本发明的方法包括获取与电路的第一测量点101处的一个或多个电压相关的第一检测值v(t)的步骤。如上面图示的，在测量装置1中，本发明的方法的该步骤由第一测量单元10执行。
[0176]
本发明的方法包括获取与电路的第二测量点102处的一个或多个电流相关的第二检测值i(t)的步骤。如上面图示的，在测量装置1中，本发明的方法的该步骤由第二测量单元20执行。
[0177]
本发明的方法包括在第一测量点101处向第二测量点20发送广播消息mb的步骤。广播消息mb的传输以循环方式以预定义的广播频率fb在后续测量间隔期间发生。每个广播
消息mb包括在第一测量点101处获取的第一检测值v(t)。如上面图示的，在测量装置1中，本发明的方法的该步骤由第一测量单元10执行。
[0178]
本发明的方法包括在每个第二测量点102处在每个通用测量间隔tj期间接收广播消息mb的步骤，该广播消息mb从第一测量点101发送并且包括在测量间隔tj之前的获取时刻(tk)在第一测量点101处获取的第一检测值v(t)。
[0179]
如上面图示的，在本发明的测量装置中，本发明的方法的该步骤由每个第二测量单元20执行。
[0180]
本发明的方法包括以下步骤：响应于在给定测量间隔tj期间接收到广播消息m
b,j
，在每个第二测量点102处计算指示流过所述第二测量点的有功电功率的第三检测值p(t)。
[0181]
如上面图示的，在本发明的测量装置中，本发明的方法的该步骤由每个第二测量单元20执行。
[0182]
根据本发明，第三检测值p(t)在广播消息m
b,j
被接收的测量间隔tj中所包括的计算时刻tc被计算。相对于接收到的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk，计算时刻tc被延迟了预定义的时延时间t
l
。
[0183]
根据本发明，第三检测值p(t)基于直到计算时刻tc为止在第二测量点102处接收的第一检测值v(t)以及基于直到接收到的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk为止在第二测量点102处获取的第二检测值i(t)来计算。
[0184]
根据本发明，接收到的广播消息m
b,j
中所包括的第一检测值v(t)的获取时刻tk基于计算时刻tc以及基于时延时间t
l
来计算。
[0185]
优选地，预定义的时延时间t
l
对于所有第二测量点102具有恒定且相等的持续时间。
[0186]
优选地，预定义的时延时间t
l
具有的持续时间是广播消息被发送的每个测量间隔的持续时间的整数倍。
[0187]
根据一些实施例，本发明的方法包括在每个第二测量点102处获取与一个或多个附加物理量相关的附加检测值s(t)的步骤。如上面图示的，这些进一步的检测值可以包括rms电流值、峰值电流值、rms电压值、峰值电压值、温度值、湿度值等。
[0188]
优选地，每个广播消息mb包括指示第二测量点102的地址值a，从该第二测量点102期望响应消息mr。如上面图示的，地址值a优选地寻址与第二测量点102可操作地关联的测量单元。
[0189]
优选地，本发明的方法包括在所指示的第二测量点102处响应于在测量间隔期间接收到广播消息mb而向第一测量点101发送响应消息mr的步骤。
[0190]
响应消息mr包括在第二测量点102处计算或检测的检测值。更具体地，响应消息mr包括在第二测量点102处计算的第三检测值p(t)或在第二测量点102处获取的第二检测值i(t)或者在第二测量点102处获取的附加检测值s(t)中选择的一个或多个检测值。
[0191]
根据本发明的测量装置和方法在解决或减轻现有技术的上面证实的缺点方面非常有效。
[0192]
本发明的测量装置和方法允许基于在所述第二测量点处检测的瞬时电流和在第一(中央)测量点处检测到的瞬时电压，直接测量流过电路的给定第二(外围)测量点的有功电功率。
[0193]
该解决方案允许显著提高第二(外围)测量点处的有功电功率的测量准确性。事实上，有功电功率是基于检测到的瞬时电流和电压的波形而不是基于所述电流和电压测量的rms值来计算的。因此，不再需要在第二(外围)测量点处的电路的相移测量或功率因数估计。
[0194]
根据本发明，由于上面图示的广播消息mb从第一测量单元10到所有第二测量单元20的传输/接收机制，用于计算有功功率p(t)的检测值v(t)、i(t)被自然同步，无需在第一测量单元10和第二测量单元20之间发送时间戳。这允许显著减少第一测量单元10和第二测量单元20之间交换的数据量。
[0195]
根据本发明的测量装置和方法允许在大量测量点处执行有功电功率的实时测量。它们的特征在于使用灵活性高，并且可以被容易地适用于任何类型的电路。
[0196]
根据本发明的测量装置和方法不需要相对复杂的感测部件和高性能的处理资源用于其实际实施方式。因此，与现有技术的测量装置相比，它们在工业水平上以具有竞争力的成本布置相对容易和简单。

技术特征：
1.一种用于测量电路(100)中的有功电功率的测量装置(1)，所述测量装置包括：-第一测量单元(10)，被可操作地耦合至所述电路的第一测量点(101)，所述第一测量单元被配置为获取与所述电路的所述第一测量点(101)处的一个或多个电压相关的第一检测值(v(t))；-多个第二测量单元(20)，被可操作地耦合至所述电路的多个第二测量点(102)，每个第二测量单元被配置为获取与所述电路的对应的第二测量点(102)处的一个或多个电流相关的第二检测值(i(t))；其中所述第一测量单元(10)和所述第二测量单元(20)能够彼此通信，其特征在于，所述第一测量单元(10)被配置为以预定义的广播频率并且在后续测量间隔期间以循环方式向所述第二测量单元(20)发送广播消息(m
b
)，每个广播消息(m
b
)包括由所述第一测量单元(10)获取的第一检测值(v(t))，其中每个第二测量单元(20)被配置为在每个测量间隔(t
j
)期间接收广播消息(m
b,j
)，所述广播消息(m
b,j
)由所述第一测量单元(10)发送并且包括在所述测量间隔(t
j
)之前的获取时刻(t
k
)由所述第一测量单元(10)获取的第一检测值(v(t))，其中每个第二测量单元(20)被配置为响应于接收到所述广播消息(m
b,j
)，在所述测量间隔(t
j
)期间计算指示流过所述电路的对应的第二测量点(102)的所述有功电功率的第三检测值(p(t))，其中每个第二测量单元(20)被配置为在计算时刻(t
c
)计算所述第三检测值(p(t))，所述计算时刻(t
c
)被包括在所述测量间隔(t
j
)中并且相对于所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述第一检测值(v(t))的所述获取时刻(t
k
)延迟预定义时延时间(t
l
)，其中每个第二测量单元(20)被配置为基于直到所述计算时刻(t
c
)为止由所述第二测量单元(20)接收的第一检测值(v(t))以及基于直到所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述第一检测值(v(t))的所述获取时刻(t
k
)为止由所述第二测量单元(20)获取的第二检测值(i(t))来计算所述第三检测值(p(t))，其中每个第二测量单元(20)被配置为基于所述计算时刻(t
c
)和所述时延时间(t
l
)来计算所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述第一检测值(v(t))的所述获取时刻(t
k
)。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述预定义时延时间(t
l
)对于所有所述第二测量单元(20)具有恒定且相等的持续时间。3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述预定义时延时间(t
l
)是每个测量间隔的所述持续时间(t
d
)的整数倍。4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，每个第二检测单元(20)被配置为获取与所述电路的对应的第二测量点(102)处的一个或多个附加物理量相关的附加检测值(s(t))。5.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，每个广播消息(m
b
)包括寻址第二测量单元(20)的地址值(a)，从所述第二测量单元(20)期望响应消息(m
r
)。6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，每个第二测量单元(20)被配置为如果所述测量单元由所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述地址值(a)寻址，则响应于接收到所述广播消息(m
b,j
)，在所述测量间隔(t
j
)期间向所述第一测量单元(10)发送响应消息(m
r,j
)，所述响应消息(m
r,j
)包括由所述第二测量单元(20)计算或检测的一个或多个检测值
(p(t)，i(t)，s(t))。7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述第一测量单元(10)包括：-计量模块(11)，被配置为感测所述电路的所述第一测量点(101)处的一个或多个电压；-广播模块(12)，被配置为向所述第二测量单元(20)发送所述广播消息(m
b
)；-控制模块(13)，被配置为控制所述计量模块(11)和所述广播模块(12)的所述操作，其中所述计量模块(11)被配置为获取所述第一检测值(v(t))，并且向所述广播模块(12)发送所述第一检测值，其中所述广播模块(12)被配置为在每个测量间隔期间将所述第一检测值(v(t))编码在广播消息(m
b
)中，并且向所述第二测量单元(20)发送所述广播消息。8.根据权利要求6和7所述的测量装置，其特征在于，所述广播模块(12)被配置为在每个测量间隔期间对从第二测量单元(20)接收的响应消息(m
r
)中所包括的所述检测值(p(t)，i(t)，s(t))进行解码，并且向所述控制模块(13)发送所述检测值。9.一种配电系统(500)，包括电路(100)和根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(1)。10.一种用于测量电路(100)中的有功电功率的方法，包括：-获取与所述电路的第一测量点(101)处的一个或多个电压相关的第一检测值(v(t))；-获取与所述电路的多个第二测量点(102)处的一个或多个电流相关的第二检测值(i(t))；其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：-在所述第一测量点(101)处，以预定义的广播频率并且在后续测量间隔期间以循环方式向所述第二测量点(102)发送广播消息(m
b
)，每个广播消息(m
b
)包括在所述第一测量点(101)处获取的第一检测值(v(t))，-在每个第二测量点(102)处，在每个测量间隔(t
j
)期间接收广播消息(m
b,j
)，所述广播消息(m
b,j
)从所述第一测量点(101)发送并且包括在所述测量间隔(t
j
)之前的获取时刻(t
k
)在所述第一测量点(101)处获取的第一检测值(v(t))，-在每个第二测量点(102)处，响应于接收到所述广播消息(m
b,j
)，计算指示流过所述电路的对应的第二测量点(102)的所述有功电功率的第三检测值(p(t))，其中所述第三检测值(p(t))在计算时刻(t
c
)被计算，所述计算时刻(t
c
)被包括在所述测量间隔(t
j
)中并且相对于所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述第一检测值(v(t))的所述获取时刻(t
k
)延迟预定义时延时间(t
l
)，其中所述第三检测值(p(t))基于直到所述计算时刻(t
c
)为止在所述第二测量点(102)处接收的第一检测值(v(t))以及基于直到所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述第一检测值(v(t))的所述获取时刻(t
k
)为止在所述第二测量点(102)处获取的第二检测值(i(t))来计算，其中所接收到的广播消息(m
b,j
)中所包括的所述第一检测值(v(t))的所述获取时刻(t
k
)基于所述计算时刻(t
c
)和所述时延时间(t
l
)来计算。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预定义时延时间(t
l
)对于所有所述
第二测量点(102)具有恒定且相等的持续时间。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述预定义时延时间(t
l
)是每个测量间隔的所述持续时间(t
d
)的整数倍。13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在每个第二测量点(102)处获取与一个或多个附加物理量相关的附加检测值(s(t))的步骤。14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，每个广播消息(m
b
)包括指示第二测量点(102)的地址值(a)，从所述第二测量点(102)期望响应消息(m
r
)。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：-在每个第二测量点(102)处，如果所述第二测量点由所述广播消息(m
b,j
)中所包括的所述地址值(a)指示，则响应于接收到所述广播消息(m
b,j
)，在所述测量间隔(t
j
)期间向所述第一测量点(101)发送响应消息(m
r,j
)，所述响应消息(m
r,j
)包括在所述第二测量点(102)处计算或检测的一个或多个检测值(p(t)，i(t)，s(t))。

技术总结
一种测量装置包括：-第一测量单元，被可操作地耦合至电路的第一测量点，第一测量单元被配置为获取与所述电路的第一测量点处的一个或多个电压相关的第一检测值；-多个第二测量单元，被可操作地耦合至所述电路的多个第二测量点，每个第二测量单元被配置为获取与所述电路的对应的第二测量点处的一个或多个电流相关的第二检测值。上述第一测量单元和第二测量单元能够以有线或无线方式彼此通信，以便测量所述第二测量点处的有功电功率。在另一方面中，本发明涉及一种用于测量电路中的有功电功率的方法。率的方法。率的方法。


技术研发人员：阿图尔
受保护的技术使用者：ABB瑞士股份有限公司
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/9/11