CN1226969A - 可配置的电量表 - Google Patents

Abstract

一种电量表,在一实施例中其包含一数字信号处理器,其结构构成适于为多种表计结构类型和接线产生能量消耗测量值。在该实施例中,表计包含用于产生代表在负载处的电压和电流的信号的电压和电流检测器和一连接到电压和电流传感器上的数字信号处理器(DSP)。DSP包含一存储器,在DSP存储器中存储着与各表计结构类型相对应的多个可选择的指令集。该结构类型包含表计ANSI结构9和表计ANSI结构16类型的结构,以及指令集包含要处理的步骤以便为各表计结构类型确定线电压和线电流。表计还包含一连接到DSP上的微计算机,用以接收由DSP产生的数据。微计算机可控制向DSP传输选择的命令,以便控制选择在DSP存储器中存储的其中一个指令组合。光接口可以电连接到微计算机,微计算机的结构构成适于由光接口接收控制命令,微计算机利用控制命令产生选择命令。

Description

可配置的电量表

本发明一般地涉及电量计量，更具体地说涉及一种可配置的以便能工作在多种表计结构和额定值的电量计。

由于由对在配电网络内的电气用户线(service)计量采集的数据是专为通知用户使用的，采集的数据必须精确。为了保证精确度，在过去对于不同类型的电气用户线和负载范围使用不同的表计结构来计量能量消耗。具体地说，在公用事业的配电网中，有很多希望由公用事业单位希望计量的不同的用户线和负载。每种类型的用户线和负载可能需要具有特定“结构”和“额定值”的表计。在本技术领域所用的术语“结构”是指电气用户线的实际结构，术语“额定值”是指电压和电流范围。

从一种应用场合到另一种应用场合，为了精确计量能量消耗所需的电量计的结构和额定值可能有所不同。虽然，宽电流范围和宽电压范围的表计降低了对于这些计量应用场合所需的不同的表计类型，对于每一公用事业单位仍需要很多不同结构和额定值的表计。

当然，要求公用事业单位必须现有很多不同结构和额定值的表计会导致增加与提供用电服务相关的费用。特别是，不同结构和额定值的表计通常以库存的方式存放，使得当鉴别一计量应用场合需要特定的结构和额定值的表计时，该表计易于购得和可以安装。除了库存费用之外，必须对公用事业的人员进行培训安装每种不同结构和额定值的表计。当然，需要在安装各种各样类型的表计方面受过培训的熟练工人来安装表计也是费用较高的。

希望提供一种能够使用在需要不同结构和额定值的多个不同应用场合的表计，以便于降低库存和与计量各种各样电气用户线相关的劳动费用。还希望提供这样一种表计，其对进行的能量消耗的精确度不会产生不利的影响。

利用这样一种电量表可以达到这些和其它目的。在一个实施例中，其包含一可配置的数字信号处理器，用以对于多种表计结构类型和接线产生能量消耗测量值。更具体地说，在一个实施例中，该表计包含用于产生代表在负载处的电压和电流的信号的电压和电流传感器和一连接到电压和电流传感器上的数字信号处理器(DSP)。DSP包含一存储器，与各表计结构类型相对应的多个可选择的指令组合存储在DSP存储器中。结构类型包含表计ANSI结构9和表计ANSI结构16类型的结构，该指令组合包含需执行的处理步骤，以便确定对于各表计结构类型的线电压和线电流。

表计还包含一微计算机，连接到DSP上，用于接收由DSP产生的数据。微计算机可以向DSP发送选择命令，以便控制选择其中一个存储在DSP存储器中的指令组合。一光接口可以电连接到微计算机，微计算机其结构构成适于接收来自光接口的控制命令。微计算机利用控制命令来产生选择命令。

当制造上述表计时，在工厂选择表计基体。正如在本技术领域中公知的，和以表计插座类型为例，该表计基体结构可以与ANSI9S插座结构或ANSI16S插座结构相符合。关于底部连接式表计，表计基体可以与ANSI10A、48A或16A结构相符合．根据表计基体结构。DSP存储器存储有对于该特定基体所有可能的应用场合的指令组合。例如，基体与ANSI9S插座相符合的表计可具有在表计和供电线之间的3元件，2 元件、2元件或1元件接线。此外，对于各种数量元件中的每种，表计实际使用的特定电路取决于电气用户，例如ANSI9S结构，3元件接线可以电连接到4W-Y结构或4W-△结构。对于各种表计结构的所有指令组合存储在DSPROM存储器中，该指令组合包含对于特定的表计基体的每一种可能的应用场合需执行的处理步骤。在工厂对表计进行预编程，使得能选择由DSP执行的处于该表计基体最通用的指令组合，然后将表计发往公用事业单位。

在公用事业单位，例如对于ANSI9S表计基座，工人可以将表计安装在ANSI9S插座中。如果在表计和在那个特定安装点的供电线之间的电气接线与预编程的所选择的指令组合相对应，则工人不需要对适宜的安装另外采取任何操作。如果该特定的安装与预编程的所选择指令组合不相对应，工人则通过光接口向微计算机传输一选择信号，选择适当的一个或多个指令组合。于是微计算机向DSP传输命令信号，指示DSP执行与在安装点处的电路相对应的特定预输入的指令组合。

按照上述表计结构，不需要公用事业单位以库存方式存放很多不同的表计，例如对于以插座为基体的应用场合，仅需现有两组表计．这些表计是准备和易于配置的，使得在每次安装时都实现精确计量。

图1是电能表的方块图。

图2是表示图1中所示数字信号处理器的方块图。

图3是表示对于各种电气用户线的结构、元件和使用方法的流程图。

图4a是一矩阵排列图，表示对于在图3中鉴别的各种结构中的每种结构利用数字信号处理器执行的处理步骤，图4b和4c表示在图4a中所示矩阵排列图中涉及的各种表计结构和标记。

图5是一流程图，表示附加的计量应用场合、数字信号处理器输入信号，结构以及由处理器执行的处理步骤。

图6a-i表示关于各种结构和应用场合的电气接线。

图1是表示一示范性的电子电能表10的方块图，其例如是由GeneralElectric Company,130 Main Street Somersworth,N.H 03878可购得的，并且通常称之为KV计。该KV计可以改进成下文将更详细地介绍的结构形式。虽然，这里是从电子电量表的角度介绍本发明的装置和方法的，但应理解，本发明并不局限于利用任何一种特定的表计来实施。本发明可以结合其它以微计算机为主的表计加以利用。

下面具体参阅图1，表计1包含电压传感器12和电流传感器14。传感器12和14在运行中通常连接到向表计所在场所供电的电力线上。传感器12和14连接到一模数(A/D)变换器16，其将输入的模拟量的电压和电流信号变换为数字信号。变换器16的输出提供到数字信号处理器(DSP)18。DSP18向微计算机20提供数字化的计量量例如V2H、I2H。微计算机20利用由DSP18提供的计量量，进行附加的计量运算和执行功能。DSP18例如可以是由Texas Instruments Company,P.0.Box6102,Mail Station 3244,Temple,TX76503的产品，TMS320处理器，通过改进以便执行计量功能。

微计算机20连接到一液晶显示器22，以便控制各种选择的计量量的显示，以及连接到一光通信接口24，以便能够使外部读出装置与计算机20通信联系。接口24可以是公知的General Electric Company 130Main Street,Somersworth,N.H.03878生产的OPTOCOM^TM接口，其与ANSI Ⅱ型先接口相匹配。微计算机20还可以产生用于各种其它功能的附加输出26，这在本技术领域是公知的。微计算机20例如可以是由Hitachi America,Inc.Semi conductor&I.C.Division,HitachiPlaza,2000 Sierra Point Parkway,Brisbane.CA 94005-1819可购得的8位微计算机，通过改进以便执行计量功能。

微计算机20还可以连接到一输入/输出板(I/O)28以及连接到一功能或高级功能板30上。DSP18还可以直接向高级功能板30提供输出。微计算机20还经过控制总线32连接到一可电擦除可编程只读存储器(EEPROM)34.I/O板28和高级功能板30还经总线32连接到EEPROM34。

利用连接到宽范围的电源38上的电池36向上述表计各组成部分提供后备电源。当不需要后备电源时在正常运行中，由电源38经过供电线向表计各组成部分供电。

在计量技术领域会很好理解上述各组成部分可具有很多功能和改进方案。本申请不是针对这类已理解和公知的功能和改进。相反，本申请针对一些用以将表计构成为一与下文更详细介绍的很多不同计量应用相兼容的表计的方法和装置。此外，虽然下面按照结合图1表示的硬件环境对该方法和装置进行介绍，但应理解，这些方法和装置并不局限于按照这样的环境来实施。该主题方法和装置可以按照很多其它环境来实施。

此外，应当理解，本发明可以利用很多另外的计算机来实施，不局限于仅结合微计算机20来实施。因此，这里所用的术语“微计算机”并不局限于指在本技术领域中称之为微计算机的那些集成电路，而是广义地涉及微计算机，处理器、微控制器、专用集成电路和其它可编程电路。

图2是表示图1中所示DSP18的方块图。DSP18包含一随机存取存储器(RAM)50，如所示的512字节RAM。关于DSP18的输入包含来自A/D变换器16的样本集，它们由变换器16向DSP18在所示特定结构中按照每秒3900比特的速率传输。为了进一步处理，样本集至少暂时存储在RAM50中。DSP18还包含一只读存储器(ROM)，以及一些指令(FL和PF)52、计量脉冲指令(Kt)54以及指令组合56和58都存储在ROM中方块56表示利用DSP18对于基波和谐波计算的V²、无功功率、I²、有功功率以及估算的中性线I²。方块58表示利用DSP18对于60或50赫NB滤波器所计算的数值，仅对于基波的V²、无功功率、过零点(0.X)以及有功功率的计算数值。在ROM中还存储有关于各种标识位的设定值和各累积的数值60。

如上所述，DSP18的结构构成适于连接到微计算机20，这种连接是经过串行输入/输出接口62进行的．各种指令和数据在DSP18和微计算机20之间经过接口62传输，这些指令和数据包含对于50赫和60赫运行的调节值，检定值、标识位、计量常数(Kt)、测量值、选择的采样和计数值以及校核值．这些指令和数据至少暂时存储在RAM50中并用于控制由DSP18进行的处理．DSP18还包含一复位接口64，当在复位接口64接收到复位信号时，进行各种检测，包含ROM和模数变换器测试，在本技术领域是公知的。

这里所介绍的DSP18是作为其中可以实施本发明的环境的一示范性实施例。因此，应当理解，本发明可以结合很多另外类型的处理器和按照其它表计结构来实施。

通常，对于DSP18的工作，指令集包含要执行的处理步骤，以便对各个表计结构类型确定线电压和线电流，这些指令集存储在DSP存储器或ROM中。微计算机20可控制地传输一选择命令到DSP18，以便控制选择在DSP存储器中存储的其中一个指令集。特别是，微计算机20配置成适于经过光接口24接收控制命令，以及微计算机20利用控制命令来产生选择命令。然后DSP18根据所选择的指令集来处理由ADC16接收的数据和将计算的数值经过串行I/O接口62提供到微计算机20，此外可对DSP18进行编程，以便校准由ADC16接收的样本，以及这种校准的采样可以经过DSP总线提供到其它表计电路．

关于功能块56和58，为计算例如无功功率和有功功率而由DSP18执行的基本处理步骤取决于表计结构和表计连接的电路。更确切地说，参照图3，表计结构类型包含表计ANSI结构9和表计ANSI结构16类型的结构，元件的数量可以是3、2、2

或1，以及有一些其中可以连接表计的电路结构。表计结构、元件和电路结构都影响由DSP所接收的输入和表计的工作．在图3中表示根据ANSI标准的表计工作方法(MO)的各种标志。

图4a表示对于在图3中鉴别的各种结构和表计工作(MO1)的各种标记中的每一种由DSP18执行的步骤。在图4a中表示的标记对应于在图4b和4c中表示的表计基体结构。具体说，图4b是一种按结构9S的表计基体，图4C是一种按结构16S的表计基体。每一个电压是各电压检测片(blade)之间的电位差，它们在图4b和4c中是按照实心矩形表示的。每一电压检测片被标以一个数字，即0、1、2、3。如在图4b和4c中所示每个电流是在两个触片之间的导电线路即按照各片之间的连线被检测的。电流检测片是按照以轮廓线表示的矩形表示的。每一电流按字母A、B或C标注。某些插座型表计具有的触片用于电压检测和电流检测。这种情况表示在图4b和4c中，一个触片(例如上触片)表示为电压检测触片，其附近有数字(例如1、2或3)以及下触片表示为电流检测触头。

下面参照图4a、4b和4c，数值e₀、e₁、e₂和e₃代表由表计基体中的各个电压检测触片得到的电压信号数值并经过ADC16提供到DSP18。数据e_A、e_B和e_C是关于各线路的计算电压值，以及数值i_A、i_B和i_C是关于各线路的计算电流值。利用电压值，根据如下公式可以计算瞬时功率。

        P_A=e_Axi_A，

        P_B=e_Bxi_B

        P_C=e_Cxi_C，和

        P_总=P_A+P_B+P_C

如在图3中所示，关于各种电压和电流数值的每一数值的计算随表计结构和表计工况而变化。

图5是更详细地表示对于每种类型的表计用户应用场合的DSP处理步骤的流程图。DSP实例#列是指一般标记，其可以选定到每种表计应用场合。DSP实例#例如可以用于通过微计算机20向DSP18传送特殊类型的需计量的用户线，以便DSP18在计算各种计量量时执行适当的步骤。更具体地说，在一特定实施例中，DSP实例#按一结构字(CFG-WRD)由微计算机20传输到DSP18。

表计应用场合列标记需计量的特定电路，例如，对于DSP实例#0，该使用的特定表计是按3相3线△接线用户中的2元件3线式表计。DSP输入信号列标记由ADC16提供到DSP18的信号。ANSI结构列标记与特定的用力线对应的ANSI结构。对称列标记是否存在对称性(即是否确定运算的视在功率)。

处理步骤列标记利用DSP18进行的处理，以便计算对于每一DSP实例#的各种计量量。对于每一实例在图5中所示的执行步骤是由顶到底实行的，以及根据校正的采样进行处理，以便将各种各样结构和用户线转换为虚拟的4线型结构。

当然，本发明并不局限于在图5中所示的特定处理步骤，即对于相同的表计应用场合，根据所选择的标准计算方法，也可以利用其它的处理步骤．例如，在图5中所示和上面解释的处理中，该处理的进行是将各种各样的结构和用户线转换为假想的4线Y接线结构。当然在进行这种转换时，某些相实际上是不存在的，是按假想的相处理的。另外，可以进行处理，以便将数据转换为某些其它假想的表计结构。

图6a-i表示对于各种结构和应用场合的电气接线．通常，利用本发明，两个表计结构就满足所有需要3或更少表计元件的电气用户线。特别是，额定值为57-120伏以及120到480伏连续提供528V，最大575伏的类别20和类别22的表计，这种用户要求可以仅用两个表计结构来满足．此外，利用扩展的类别320额定值的表计，可以直接计量高达320安的负载电流．利用带有仪表互感器的结构9S类别20的表计可以测量更大的负载和更高的电压。

更具体地说，参照图6a-i，根据ANSI C12。10结构标记，介绍各结构标记．图6a-c表示具有如下额定值：Kh=21.6,Kt=4.5和CL320的自备式结构16S表计基体．图6a是二线式基体，图6b是3线式基体，图6c是4线式基体。图6d-i表示具有如下额定值：Kh=1.8,Kt=0.3和CL20的带互感器额定值的结构95表计基体。用标记“CT”来标注电流互感器，用标记“VT”来标注电压互感器。在图6d-f中表示的表计基体接线仅包含电流互感器(CT)，在图69-i中表示的表计基体接线包含电流互感器(CT)和电压互感器(VT)。

当制造包含DSP18的上述表计时，在工厂选择表计基体。正如在本技术领域中所公知的，例如以插座型表计为例，该表计基体结构可以符合ANSI9S插座结构或ANSI16S插座结构。根据表计基体结构，DSP存储器则可存有对于该特定基体的所有可能的应用场合的指令集。例如，其基体符合ANSI 9S插座的表计在表计和供电线之间可以具有3元件，2

元件、2元件或1元件．此外，对于各种数量元件其中的每一种，表计实际使用的特定电路取决于电气用线，例如ANSI 9S结构，3元件接线的可以电连接到4W-Y接线结构或4W-△接线结构。存储在DSP存储器中的指令集包含对于该特定表计基体的每一种可能的应用场合要执行的处理步骤。在工厂中对表计预编程，以便选择对于表计基体最通用的指令组合由DSP执行，然后将表计送交到公用事业单位。

在公用事业单位，例如对于ANSI9S结构表计，工人可以将该表计安装在任一ANSI9S插座中。如果在表计和特定安装点处供电线之间的电气接线与预编程的所选择的指令集相对应，则工人为了进行恰当的安装不需要作其它操作。如果特定的安装不对应于预编程的选定指令集，工人通过光接口向微计算机传输选择信号，则可以选择适当的指令集。微计算机则向DSP传输命令信号、指示DSP执行与在该安装点处的电路相对应的特定的预输入指令集。

按照上述的表计结构，并不要求公用事业单位库存很多不同的表计，例如对于插座为基的应用场合，现存仅需要两组表计。这些表计是准备和易于配置的，使得在每一安装点能进行精确的计量。

根据对本发明的各种实施例的上述介绍，很明显达到了本发明的目的。虽然已对本发明进行了详细地说明介绍，应清楚理解，仅意在于通过说明和举例的方式介绍本发明，决不是意在限定。例如，规划对于一特定的服务DSP可以自动地调整结构，而不是要求用户选择DSP实例编号。特别是，根据特定的用户和使用预定的标准，微计算机可以自动地确定需计量的服务的类型，然后指令DSP执行适当的指令组合。例如，如将DSP实例#3选择用于结构45S、2元件三线表计，可计量几种不同的用户。通过控制的起始化，微计算机利用预编程的标准可以确定DSP实例#0是正确的实例编号，DSP将自动地由微计算机指令执行关于DSP实例#0的指令组合。因此，本发明的构思和范围是仅利用所提出的权利要求书中的权项限定的。

Claims (14)

1．一种电量表，用于测量负载的能量消耗，包含：

电压和电流传感器，用于产生代表在负载处的电压和电流的信号；

数字信号处理器，连接到所述电压和电流传感器，所述数字信号处理器包含其中存储有多个与各表计结构类型相对应的可选择的指令集的存储器。

2．根据权利要求1所述的电量表，其特征在于所述的表计还包含一连接到所述数字信号处理器上的微计算机，用于由该处理器接收数据，所述微处理器可以向所述数字信号处理器传输选择命令，以便控制选择其中一个存储在所述数字信号处理器存储器中的所述指令集。

3．根据权利要求2所述的电量表，其特征在于还包含一可电连接到所述微计算机上的光接口，所述微计算机的结构构成适于由所述光接口接收控制命令，和利用控制命令产生选择命令。

4．根据权利要求1所述的电量表，其特征在于该结构类型包含表计ANSI结构9和表计ANSI结构16类型的结构。

5．根据权利要求1所述的电量表，其特征在于，指令集包含要执行的处理步骤，以便确定关于各表计结构类型的线电压和线电流。

6．一种用于电量表的处理器，所述处理器包含：

一存储器，其中存储有与各表计结构类型相对应的多个可选择的指令集；以及

处理单元，用于进行能量消耗计算，所述处理单元配置用于执行所选择的其中一个所述的指令集，以便根据对应的一种表计结构类型进行所述能量消耗的计算。

7．根据权利要求6所述的处理器，其特征在于包含一输入部分，其配置用于连接到一微计算机，该计算机可以向所述数字信号处理器传输选择命令，以便控制选择在所述数字信号处理器存储器中存储的其中一个所述指令集。

8．根据权利要求6所述的处理器，其特征在于该结构类型包含表计ANSI结构9和表计ANSI结构16类型的结构。

9．根据权利要求6所述的处理器，其特征在于指令集包含要执行的处理步骤，以便确定对于各种表计结构类型的线电压和线电流。

10．一种控制用于测量负载能量消耗的表计的方法，该表计包含用于产生代表在负载处的电流和电压的信号的电压和电流传感器，和一连接到电压和电流传感器的数字信号处理器，数字信号处理器包含一其中存储有多个与各表计结构类型相对应的可选择的指令集的存储器，所述方法包含的步骤有：

选择至少一个用以执行的指令集；及

执行包含在所选择的指令集中的指令。

11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于表计还包含一微计算机，其连接到数字信号处理器，用于从该处理器接收数据，微计算机可以向数字信号处理器传输选择命令，以便控制选择在数字信号处理器存储器中存储的其中一个指令集。

12．根据权利要求11所述的方法，其特征在于该表计还包含一电连接到微计算机上的光接口，微计算机被配置用于由光接口接收控制命令，和利用控制命令产生选择命令。

13．根据权利要求10所述的方法，其特征在于结构类型包含表计ANSI结构9和表计ANSI结构16类型的结构。

14．根据权利要求10所述的方法，其特征在于指令集包含要处理的步骤以便对于各表计结构类型确定线电压和线电流。

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