专利名称：电功率计量设备和方法
技术领域：
本发明涉及电功率计量设备，包括-至少一个电流传感器，用于提供代表在初级电导体中流动的初级电流的次级测 量电流，-电子测量和整流器电路，连接到所述至少一个电流传感器，-处理电路，连接到电子测量和整流器电路，以及-发送器，连接到处理电路，用于通过无线通信网络向电功率测量接收器发送消 肩、ο本发明还涉及电功率计量方法。
背景技术：
在电线导体上布置用于利用远程组件计量电功率的电子设备以估计或测量电流、 功率和/或电。被称为无线系统的系统通常具有电导体上的带有无线电发送器的第一部 件、以及带有无线电接收器及集中功率和电处理的第二集中部件。专利申请W0200814M^示出设备的第一已知示例。利用电容分压器在本地测量 电源系统的电压。电子电路的供电实质上基于电池的存在。文献EP2048482描述具有多个源以及电池的电子电路电源。现有技术的设备一般依赖于外部电源或者依赖于电池组或可充电电池的存在。因 此它们具有相对的自主性且不能够在所有时间操作。
发明内容
本发明的目的是提供用于计量电功率的设备和方法，使得能够避免外部电源、电 池组或可充电电池的使用。一种根据本发明的用于计量电功率的设备包括-电流积分电容器，经由电流整流器部件连接到所述至少一个电流传感器，-电压阈值检测部件，连接到所述积分电容器，以检测所述积分电容器上预定义电 压阈值的过冲，-开关部件，由所述阈值检测部件控制，用于当所述积分电容器中的电压已经超过 所述预定义电压阈值时触发利用积分电容器上累积的功率对所述处理电路和所述发送器 供电，所述处理电路和所述发送器接着发送电功率的数量或已经在所述初级电导体中流动 的电流的数量的功率消息。所述开关部件优选地由在保持电流以下停止导通的可控硅(thyristor)类型的 元件组成，而检测部件是在输入端具有低泄露电流的电压基准元件中。优选实施例中，所述设备包括放电部件，用于在传输循环的结尾处将所述积分电 容器放电。由发送器发送的所述功率消息有利地包含脉冲计数数据。
由发送器发送的所述功率消息优选地包含功率计量或电流数量计量数据。特定实施例中，所述设备包括用于检测电流的过零的部件，当检测到过零时发送 所述功率消息。所述处理电路有利地包括校正部件，用于根据预加载的或由先前的返回消息发送 的参数在本地校正功率数据值。所述设备有利地包括布置在所述处理电路中和/或接收器的处理�？橹械挠糜� 计算所述初级电流的rms值的部件。一种根据本发明的用于计量电功率的方法包括-利用代表在电导体中流动的电流的次级电流对积分电容器充电，-当所述积分电容器的电压超过预定义阈值时，启动开关的导通，-经由所述开关利用所述积分电容器的充电电压对处理电路供电，-准备和发送代表电功率的数量或已经在所述初级电导体中流动的电流的数量的 功率消息，-命令将电容器完全放电，以及-停止所述开关的导通。所述计量方法有利地包括-由接收器接收代表电功率的数量的所述消息，和-增加电功率计量。所述计量方法有利地包括-从接收器接收包含校正和参数设置值的返回消息，以及-准备和发送具有完整电功率值数据的代表电功率的数量的所述功率消息。特定实施例中，所述计量方法包括-等待所述次级电流的过零以发送代表电功率的数量的所述消息，-由接收器检测电压的过零时刻，以及-由所述接收器根据所述电压的过零时刻和所述功率消息的接收时间确定代表电 压于电流之间的相位差的值。有利地在所述电容器的预定数量的充电和放电循环被执行时执行功率消息的发 送，将要发送的电功率值依赖于所述预定的循环数量。所述计量方法优选地包括电功率的值或数量的校正，以纠正工作范围上电流传感 器的非线性、由于元件泄露电流引起的误差和/或由于处理和传输时间引起的误差。所述计量方法优选地包括从功率消息接收器发送返回消息，所述返回消息包括代 表电压于电流之间的相位差、电压值、在消息发送之前充电-放电循环的数量、校正参数和 /或经校正的电功率值的数据。
其他优点和特征将从本发明的具体实施例的以下说明中变得更清楚明了，实施例 是仅以非限制示例的目的给出并且在附图中示出，其中图1表示根据本发明的实施例的具有无线链路的电功率计量设备；图2表示根据本发明的第一实施例的设备的图3表示根据本发明的第二实施例的设备的图；图4A和4B表示根据本发明的实施例的设备中电容器的充电和放电的时序图；图5A和5B表示根据本发明的实施例的在设备中发送的消息的内容；图6A到6D说明根据本发明的实施例的设备的第一操作；图7A到7C说明根据本发明的实施例的设备的第二操作；图8表示根据本发明的实施例的设备的消息接收器的框图；图9和10表示根据本发明的实施例的方法的第一流程图；以及图11表示根据本发明的实施例的方法的第二流程图。
具体实施例方式图1表示用于发送代表预定义的电功率数量的脉冲的具有无线链路的电功率计 量设备。该设备包括发送器部分1，其具有提供代表在初级电导体3中流动的初级电流Ip 的次级测量电流Is的电流传感器2。电流Is由电子�？�4处理以发送代表电功率的数量 的无线消息。通过电流的积分实现该电功率，已知通过其他工具在别处估计或测量电源系 统的电压。当达到功率的数量时，将消息形式的脉冲发送到远程接收器5。接收器接收消息 并处理(具体通过存储并在屏幕6上显示值)功率数据。图2表示根据本发明的第一实施例的设备的图。电流传感器2向电子测量和整流 器电路提供代表初级电流Ip的次级测量电流Is。传感器以此方式连接到具有四个二极管 8的整流器电桥7。在整流器电桥的输出端，整流电流Ir被施加到电流Ir的积分电容器9。 该情况下，电流积分电容器经由电流整流器部件连接到电流传感器。电容器的端子处的电 压Vc代表电流在时间上的积分并因而代表电功率，因为电源系统电压V是已知和恒定的， 如同相位差异和功率因子一样。该设备还包括连接到电子测量和整流器电路的处理电路、 以及连接到处理电路10的用于通过无线通信网络向电功率测量接收器5发送消息发送器。 该设备操作于两个阶段。在第一阶段，在电容器9中发生电流Ir的积分或累积以给出代表 电功率数量的电压。然后在第二阶段，当功率的数量达到预定的等级时触发消息的传输。本发明的该实施例中，该设备包括连接到电容器9的电压阈值检测器12，用于检 测积分电容器9上预定义电压的过冲。当积分电容器上的电压已经超过所述预定义电压阈 值时，由阈值检测器12支配的开关13触发利用电容器中累积的功率对处理电路10和发送 器11提供电功率。此时，处理电路10和发送器11发送代表电功率的数量、或已经在所述 初级电导体中流动的电流的积分的功率消息。开关13有利地是在保持电流以下自动停止 导通的可控硅类型的元件。该可控硅类型的元件也可以由具有通过输入或触发电极来控制 并且通过经过电流的减少来停止导通的具有类似特征的晶体管的组件替换。电压阈值检测 器12优选地是具有低泄露电流的电压基准元件，以便在电容器的充电期间限制电流泄露。 与电路10和11的电源并联的电阻器14使得最小电流流过以保证所述可控硅13的导通。在操作的第二阶段，必须迅速地执行消息的处理和传输。该过程花费的时间必须 比电容器的充电时间短并且优选地为已知的和校准的。在第二时间的结尾处，电容器的放 电必须快速以重新开始新的循环。该设备因此包括高速放电电路，用于在传输循环的结尾 处清空电容器的电荷。该高速放电电路包括低值电阻器15，其与在循环的结尾处由处理电 路10控制的晶体管16串联。当电容器被放电时，可控硅电流变低或接近于零，然后可控硅自然截止。从电容器9下行的电子电路不再被供电并且电容器9的充电可以重新开始。可以将无相位差的电阻充电上的功率表达为电压V与电流I之间的乘积的积分。E = V(t)I(t)dt由于假定电压至少在两个消息之间的时间间隔期间恒定，可以用以下方式表达功 率E = V I (t) dt功率E和电压V在接收器中确定，从而被称为发送器的部件将提供I的积分 I(t)dt其中dt由两个消息之间的时间间隔确定。积分电容器上的电压Vc代表电流的积 分。当发送消息时，它由此代表功率的数量。该值也可以用来确定初级电流的平均值。I的积分还代表已经在所述初级电导体中流过的电流Ip的数量。因而可以将计算 部件布置在处理电路10中和/或接收器的处理模块，以计算所述初级电流Ip的平均值。图3表示根据本发明的第二实施例的设备的图。该实施例中，处理电路10和发送 器11能够以双向方式操作。该设备还包括电流过零检测器17，连接在例如整流器电桥7的 输入端与处理电路10的输入端之间。该情况下，所述功率消息的传输被延迟直到检测到过 零。该等待将允许接收器计算电源系统的AC电压的过零与由所述功率消息的接收代表的 电流的过零之间的时间延迟。过零之间的时间特别用于计算电流与电压之间的相位差Φ和 /或功率因子或装置(installation)的余弦φ。图3还示出用于电压浪涌保护的由电阻器18和二极管19组成的保护电路。该电 路防止在电源系统导体3上传播的扰动干扰设备的操作。电阻器18具有低值以便不干扰 电路的全局阻抗，而二极管19从具有非常低的泄露电流的二极管中选择以防止电容器9充 电期间电流Ir的任何分流。该图中，高速放电电路包括直接并联连接在电容器9上的电阻 器15和晶体管20，以便完全清空电容器而不必经受来自可控硅的直流电压或在弱电流时 停止其导电。为了与不同的基准线兼容，基准于正线的晶体管21经由反向阻断二极管M 来支配晶体管20。由电阻器22和电容器23组成的延迟电路继续以短的时间支配放电晶体 管20，即便电路10不再供电。图4Α和4Β表示根据本发明的实施例的设备中电容器9的充电和放电的时序图。 图4Α中，电流强并且充电和放电时间段T短。图4Β中，电流较弱并且时间段T较长。在时 刻te处发送代表功率单元的消息。当电流强并且电容器充电非常频繁时，可以在电容器的 充电的每次结尾处、或根据充电的预定义数量N发送这些消息以防止太大数量的消息。减 少消息的数量同样减少了通信网络中消息的密度。图5A和5B表示根据本发明的实施例的在设备中发送和/或接收的消息的内容。 在图5A，第一发送的消息25包含前导码26、同步数据27、发送器和/或源的标识符观、代 表功率的数据29、以及传输结尾或控制数据30。数据四可以是特别与脉冲计数数据关联 的固定值、在每个脉冲或传输处增加的可变值、与充电循环的数量N关联的可变值、或累积 的电功率值。由发送器发送的功率消息因此包括脉冲计数数据和/或功率计量数据。图5B中，在从接收器的返回中接收第二消息31。这样的消息特别用于设置处理电 路和发送器的参数。返回消息31包含前导码32、同步数据33、目标或接收器的标识符34、 传输之间充电的等待的数量N的数据35、由接收器确定的相位差或功率因子36、电源系统电压值37、一个或多个功率校正器系数38、和/或传输结尾或控制数据39。该情况下，处理 电路包括校正部件，用于根据预先加载的或由先前的返回消息发送的参数在本地校正功率 数据。图6A到6D说明根据本发明的实施例的设备的第一操作。图6A中，曲线Vc代表 电容器9的充电电压。在时间tl，电容器开始利用来自传感器的整流电流Ir充电，然后在 时间t2达到充电阈值Svc。开关13导通，由图6B的状态曲线40表示，并且命令对处理和 传输电路供电。图6C中，曲线41示出时间t3与t4之间功率消息的发送。然后6D的曲线 42示出时间t4与完全放电时间t5之间命令电容器放电。图7A、7B和7C分别说明电容器9的充电电压曲线Vc、消息发送曲线41、和电容器 9的放电命令曲线42。在阈值过冲和电路供电命令时间t2之后，处理电路等待下一个过零 以触发功率消息的发送。图7A中，等待以时间段Tz发生。这样的延迟使得消息发送能够 与过零同步，从而使得接收器能够计算电源电压过零与电流之间的摆差(stagger)。这样的 电流与电压之间的时间摆差可以用于计算相位差和功率因子。图8表示根据本发明的实施例的设备的消息接收器的框图。通过接收器50接收 消息，并由处理�？�51处理接收的消息。连接到�？�51的�？�52执行接收的功率值的校 正。功率测量误差可以归因于传感器的非线性(在低电流电平中因为磁电路的磁化、元件 中的电流泄露，在高电平中因为磁电路的饱和)和/或处理和传输和放电时间(当对于高 电流该时间与电容器9的充电时间相比不再微不足道时)。当执行参数设置时这些误差是 已知的或可测量的，并且它们随后可以通过模块52中的校正系数或表格在接收器中校正。 �？�53通过执行累积值的中间计算或通过功率削减来处理所述功率值。依赖于所述消息， 其增加电功率计量。�？镸接收电压信号V并从�？�51接收消息的到达的同步。其确定 用于计算电能量和功率的电压V的值、以及电压V的过零与代表电流Is的过零的消息接收 信号之间的摆差。该摆差将被用于计算电压与电流之间的相位差和功率因子。这些值被提 供给�？�53，其完成有功或无功功率计算。�？�53可以将功率值存储在数据存储�？�55 中，经由通信电路56传递它们，或在屏幕57上显示它们。�？�58为某些发送器准备返回 信号用于调节或修改参数设置的目的。返回消息特别包括新功率单元的值、相位差或功率 因子值、其中可以由发送器在本地计算功率单元的情况下的电压值、和/或用于确定发送 信号之前充电和放电的数量的数量N的值。图9和10表示根据本发明的实施例的方法的第一流程图。在步骤60执行利用代 表在电导体中流动的电流的初级电流对电容器9充电。当电容器的电压超过预定义的阈值 Svc时，在步骤61启动开关的导通。在步骤62执行经由所述开关通过电容器的充电对处理 电路供电。然后在步骤63，执行代表电功率的数量或已经在所述初级电导体中流过的电流 的积分的功率消息的准备和传输。然后，在消息传输的结尾处，步骤64命令将电容器完全 放电，并且步骤65命令停止所述开关的导通。图10中，步骤66涉及由接收器接收代表电功率的数量的所述消息。在接收器中， 步骤67执行电功率计量的增加。在步骤68，执行电功率的值或数量的校正，以纠正工作范 围上所述电流传感器的非线性、由于元件泄露电流引起的误差和/或由于处理和传输时间 请求引起的误差。步骤69计算功率值或临时或累积的能量值。图11表示根据本发明的实施例的方法的第二流程图。该方法的步骤附加于或结合在图9和10的流程图的步骤中。在步骤70，一旦超过电压阈值并且处理电路被供电，就 根据依赖于电容器充电循环和在前一循环期间接收的数据的常数来执行功率单元的计算。 该数据特别是电源系统的电压的值、相位差的值或电流与电压之间的功率因子的值、或电 功率单元值。在步骤71，利用在步骤70计算的新值增加累积的功率值以得到总的功率值。 步骤72在发送功率消息之前等待或计数所述电容器9的充电和放电循环的预定数量N。如 果所述值是复合(complex)并且在每个循环中不同，则电功率数量与所述循环的预定数量 或在该数量的循环期间的累积成比例。在步骤73，利用完整的电功率值数据准备代表电功 率的数量的消息。在步骤74执行所述次级电流的过零的等待以发送代表电功率的数量的 所述消息。该等待使得接收器能够在接收消息时计算电流与电源功率系统的电压之间的过 零的摆差。因此，在步骤75，发送复合消息，其能够包含瞬时或临时功率值、两次传输之间的 累积功率的值或总的功率值。在功率消息的传输之后，在步骤76，发生从接收器接收包含校 正和参数设置值的返回消息。该返回消息由接收器预先准备，其在接收功率消息之后以反 射(reflex)方式将其发送回来。步骤77指示结束开关的导通并将电容器9完全放电。在接收器中，存在步骤78用于检测电源系统电压的过零时间。然后由所述接收器 根据所述电压的过零时间和所述功率消息的接收时间来确定代表电压与电流之间的相位 差的值。在步骤79，处理接收的功率消息以计算电能、功率、或平均电流值数据。该数据例 如可以被存储、通信、显示、或处理以用于其他电功率管理功能。在步骤79，响应于随后的功 率消息接收来准备返回消息以便发送回来。在步骤76接收的和从接收器发送的返回消息 例如包含代表电压与电流之间的相位差的数据、电压值、消息传输之前的充电-放电循环 的数量N、校正参数和/或经校正的电功率值。前面描述的发送器之间的链路优选地为无线链路，其中无线发送器是自供电。这 些链路也可以是光链路，特别是具有红外发送器和接收器。所述消息也可以在硬连线链路 上发送，其中发送器通过电流传感器来自供电。在发送器与接收器之间使用的无线链路优选地根据来自“紫蜂(Zigbee)联盟”协 会的被称为“紫蜂”的技术来实现。电流传感器2优选地是闭合线圈或开放磁路类型的电流 变压器以易于在电导体上安装。电容器9有利地是具有非常低的泄露电流的非常高的值， 例如在500和1000微法之间。电压阈值检测电路12是具有非常低的泄露电流的电路，其 电压阈值优选地在3伏特和5伏特之间以在传感器上具有小的负载。二极管8优选地是具 有低DC电压的肖特基二极管。由设备发送的功率消息可以为几种类型它们可以特别包括简单的标识符、和/ 或具有计数器(其在每次消息传输增加)的标识符、和/或具有单元功率值的消息、和/或 具有在本地校正的功率值的消息、和/或具有累积的功率值的消息。
权利要求
1.一种电功率计量设备，包括-至少一个电流传感器O)，用于提供代表在初级电导体(3)中流动的初级电流(Ip) 的次级测量电流(Is)，-电子测量和整流器电路(7)，连接到所述至少一个电流传感器0)， -处理电路(10)，连接到电子测量和整流器电路(7)，-发送器(11)，连接到处理电路，用于在无线通信网络上向电功率测量接收器(5)发送 消息，设备特征在于，其包括-电流积分电容器(9)，经由电流整流器部件(8)连接到所述至少一个电流传感器(2)， -电压阈值检测部件(12)，连接到所述积分电容器(9)以检测所述积分电容器(9)上 预定义电压阈值(Svc)的过冲，-开关部件(13)，由所述阈值检测部件(1 支配，用于当所述积分电容器上的电压 (Vc)已经超过所述预定义电压阈值(Svc)时触发利用积分电容器中累积的功率对所述处 理电路(10)和所述发送器(11)供电，所述处理电路(10)和所述发送器(11)接着发送代 表电功率的数量或已经在所述初级电导体中流动的电流的数量的功率消息。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述开关部件(13)由在保持电流以下停止 导通的可控硅类型的元件组成，而检测部件(1 是在输入端具有低泄露电流的电压基准 元件中。
3.如权利要求1或2其中之一所述的设备，其特征在于，其包括放电部件(15、16、 20-24)，用于在传输循环的结尾处将所述积分电容器(9)放电。
4.如权利要求1到3中任何一个所述的设备，其特征在于，由发送器发送的所述功率消 息(25,63)包含脉冲计数数据(29) 0
5.如权利要求1到4中任何一个所述的设备，其特征在于，由发送器发送的所述功率消 息(25、63)包含功率计量数据09)或电流数量计量数据。
6.如权利要求1到5中任何一个所述的设备，其特征在于，其包括电流过零检测部件 (17)，当检测到过零时发送所述功率消息。
7.如权利要求1到6中任何一个所述的设备，其特征在于，处理电路(10)包括校正部 件(70)，用于根据预加载的或由先前的返回消息发送的参数在本地校正功率数据的值。
8.如权利要求1到7中任何一个所述的设备，其特征在于，其包括用于计算所述初级 电流(Ip)的平均值的部件(10、53)，布置在所述处理电路(10)中和/或接收器的处理�？� (53)中。
9.一种电功率计量方法，其特征在于，其包括-利用代表在电导体(3)中流动的电流的次级电流对积分电容器(9)充电阳0)， -当所述积分电容器(9)的电压超过预定义阈值(Svc)时，启动(61)开关(13)的导通，-经由所述开关(13)利用所述积分电容器(9)的充电电压对处理电路供电(62)， -准备和发送(6 代表电功率的数量或已经在所述初级电导体中流动的电流的数量 的功率消息，-命令(64)将电容器完全放电，以及-停止(65)所述开关的导通。
10.如权利要求9所述的计量方法，其特征在于，其包括 -由接收器接收(66)代表电功率的数量的所述消息，以及 -增加(67)电功率计量。
11.如权利要求9或10其中一个所述的计量方法，其特征在于，其包括 -从接收器接收(76)包括校正和参数设置值的返回消息，以及-准备和发送(70、73、75)具有完整电功率值数据的代表电功率的数量的所述功率消息
12.如权利要求9到11其中一个所述的计量方法，其特征在于，其包括 -等待(74)所述次级电流的过零以发送代表电功率的数量的所述消息， -由接收器检测(78)电压的过零时刻，以及-由所述接收器根据所述电压的过零时刻和所述功率消息的接收时间确定(78)代表 电压与电流之间的相位差的值。
13.如权利要求9到12中任何一个所述的计量方法，其特征在于，当所述电容器的预定 数量(N)的充电和放电循环被执行时，执行功率消息的发送(75)，要发送的电功率值依赖 于所述预定的循环数量。
14.如权利要求9到13中任何一个所述的计量方法，其特征在于，其包括电功率的值或 数量的校正(68)，用于纠正工作范围上所述电流传感器的非线性、由于元件泄露电流引起 的误差和/或由于处理和传输时间引起的误差。
15.如权利要求9到14中任何一个所述的计量方法，其特征在于，其包括从功率消息接 收器发送(76)返回消息(31)，所述返回消息包括代表电压与电流之间的相位差(φ，36)、 电压值(V，37)、消息发送之前充电-放电循环的数量(N，35)、校正参数(38)和/或经校正 的电功率值的数据。
全文摘要
电功率计量设备和方法。该电功率计量设备包括电流传感器(2)、电子测量和整流器电路(7)、处理电路(10)以及连接到处理电路的用于向电功率测量接收器(5)发送功率消息的发送器(11)。电流积分电容器(9)经由整流器部件(8)连接到电流传感器(2)。开关(13)由阈值检测器(12)支配以便当其电压(Vc)已经超过预定义电压阈值(Svc)时触发利用电容器中累积的功率对处理电路(10)和发送器供电。然后发送代表电功率的数量的功率消息。该功率计量方法包括当电容器电压已经达到电压阈值(Svc)时发送(63)功率消息。
文档编号G01R21/06GK102147430SQ201110033628
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月8日
发明者伯纳德.勒比奥, 奥利维尔.库特洛, 马克.保珀特 申请人:施耐德电器工业公司
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