СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПУНКТ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ СИСТЕМУ, И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ПОМОЩИ ТАКОЙ СИСТЕМЫ
SYSTEM OF ELECTRIC POWER MEASUREMENT, TRANSFORMER POINT CONTAINING SUCH SYSTEM, AND METHOD FOR MEASURING ELECTRIC POWER USING SUCH SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение направлено на систему измерения электрической энергии тока, протекающего, по меньшей мере, в одном вторичном электрическом проводнике, при этом вторичный проводник электрически соединен с первичным электрическим проводником, при этом первичный проводник и вторичный проводник или каждый вторичный проводник имеют по существу одинаковое напряжение, при этом система измерения содержит:
- первичный модуль, содержащий радиоэлектрический передатчик и блок измерения напряжения первичного проводника,
- по меньшей мере, один вторичный модуль, содержащий радиоэлектрический приемник, датчик силы тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике, и блок вычисления электрической энергии упомянутого тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике.
Настоящее изобретение относится также к трансформаторному пункту для преобразования электрического тока, имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второго переменное напряжение, причем этот трансформаторный пункт содержит такую систему измерения.
Настоящее изобретение относится также к способу измерения электрической энергии при помощи такой системы измерения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из документа WO 2010/119332 А1 известна система измерения вышеупомянутого типа. Система измерения содержит модули измерения электрической энергии, базу данных для записи измеренных значений энергии и модуль управления, выполненный с возможностью предоставления удаленным пользователям данных, соответствующих измеренным и сохраненным значениям. Модули измерения соединены через радиоэлектрические линии связи с коммуникационным шлюзом, который, в свою очередь, соединен с сетью. База данных, модуль управления и удаленные пользователи тоже соединены с сетью. Каждый модуль измерения выполнен с возможностью измерения электрической энергии тока, протекающего в электрическом проводнике. Он содержит датчик силы тока, блок обработки, выполненный с возможностью вычисления электрической энергии, и радиоэлектрический приемопередатчик. Каждый модуль измерения синхронизирован с коммуникационным шлюзом при помощи синхрогенератора.
Однако такая система не отличается высокой точностью, поскольку вычисление коэффициента мощности происходит посредством обнаружения максимумов тока и напряжения и вычисления разделяющего их времени. Эта система является также недостаточно точной, так как не учитывает при вычислении энергию, производимую возможными гармониками, присутствующими в сигналах напряжения и тока. Кроме того, такая система измерения является относительно сложной и дорогой.
В связи с этим изобретение призвано предложить более точную, менее сложную и менее дорогую систему измерения.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, объектом изобретения является система измерения вышеупомянутого типа, отличающаяся тем, что:
- первичный модуль содержит первые средства сжатия значения измеряемого напряжения и средства передачи, от радиоэлектрического передатчика в направлении радиоэлектрического приемника вторичного модуля или каждого вторичного модуля, первого сообщения, содержащего сжатое значение напряжения, измеренного блоком измерения,
- система измерения содержит средства временной синхронизации датчика или каждого датчика силы тока относительно блока измерения напряжения, и
- блок вычисления связан с радиоэлектрическим приемником и выполнен с возможностью вычисления электрической энергии на основании значения измеренного напряжения, поступившего от первичного модуля, и значения силы тока, измеренной датчиком силы тока.
Согласно другим предпочтительным вариантам изобретения, система измерения имеет один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:
- вторичный модуль или каждый вторичный модуль выполнен с возможностью измерения только силы тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике, без измерения напряжения упомянутого тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике;
- первое сообщение содержит данные синхронизации для временной синхронизации датчика или каждого датчика силы тока относительно блока измерения напряжения;
- первые средства сжатия содержат первые средства вычисления коэффициентов разложения в ряд Фурье упомянутого значения напряжения, измеренного блоком измерения первичного модуля;
- вторичный модуль или каждый вторичный модуль содержит вторые средства сжатия значения измеряемой силы тока;
- вторые средства сжатия содержат вторые средства вычисления коэффициентов разложения в ряд Фурье упомянутого значения силы тока, измеренного датчиком вторичного модуля;
- блок вычисления выполнен с возможностью вычисления электрической энергии на основании сжатых значений измеренной силы тока и измеренного напряжения;
- система содержит множество вторичных модулей и модуль централизации вычисленных значений электрической энергии, при этом модуль централизации содержит радиоэлектрический приемник, и каждый вторичный модуль содержит средства передачи, от радиоэлектрического передатчика в направлении радиоэлектрического приемника модуля централизации, второго сообщения, содержащего значение энергии, вычисленное блоком вычисления;
- первичный модуль содержит средства последовательного распределения единого маркера во вторичные модули, и средства передачи вторичного модуля выполнены с возможностью передачи второго сообщения, только если соответствующий вторичный модуль предварительно получил единый маркер от первичного модуля; и
- первое сообщение содержит значение периода квантования, за который вычислены коэффициенты разложения в ряд Фурье упомянутого значения измеренного напряжения и/или упомянутого значения измеренной силы тока.
Объектом изобретения является также трансформаторный пункт для электрического тока, имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второе переменное напряжение, содержащий:
- первый щит, содержащий, по меньшей мере, один входной электрический проводник, выполненный с возможностью соединения с электрической сетью, при этом ток, протекающий во входном проводнике, имеет первое переменное напряжение,
- второй щит, содержащий, по меньшей мере, один выходной первичный электрический проводник и, по меньшей мере, один выходной вторичный электрический проводник, при этом выходной вторичный проводник или каждый выходной вторичный проводник электрически соединен с соответствующим выходным первичным проводником, при этом ток, протекающий в соответствующих выходных проводниках, имеет второе переменное напряжение,
- электрический трансформатор, подключенный между первым щитом и вторым щитом и выполненный с возможностью преобразования тока, имеющего первое переменное напряжение, в ток, имеющий второе переменное напряжение, и
- систему измерения электрической энергии тока, протекающего в выходном вторичном проводнике или каждом выходном вторичном проводнике,
отличающийся тем, что система измерения является вышеупомянутой системой.
Объектом изобретения является также способ измерения электрической энергии тока, протекающего, по меньшей мере, в одном вторичном электрическом проводнике, при этом вторичный проводник электрически соединен с первичным электрическим проводником, при этом первичный проводник и вторичный проводник или каждый вторичный проводник имеют по существу одинаковое напряжение,
при этом способ содержит следующие этапы, на которых:
- (а) измеряют, при помощи первичного модуля, напряжение тока, протекающего в первичном проводнике,
- (b)измеряют, при помощи вторичного модуля, силу тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике, и
- (с) вычисляют, при помощи вторичного модуля, электрическую энергию упомянутого тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике,
отличающийся тем, что дополнительно содержит следующие этапы, на которых:
- (i) производят сжатие значения измеренного напряжения и при помощи первичного модуля передают первое сообщение, содержащее сжатое значение измеренного напряжения, через радиоэлектрическую линию связи между первичным модулем и вторичным модулем, и
- (ii) производят временную синхронизацию измерения силы тока с измерением напряжения,
и тем, что во время этапа (с) вычисление электрической энергии осуществляют на основании значения измеренного напряжения, полученного от первичного модуля, и значения силы тока, измеренной датчиком силы тока.
Согласно другому предпочтительному варианту изобретения, способ измерения имеет следующий отличительный признак:
- при помощи первичного модуля регулярно измеряют период напряжения, при этом период измерения предпочтительно равен 10 секундам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема трансформаторного пункта, содержащего первый щит, второй щит, соединенный с первым щитом через трансформатор, и систему измерения электрической энергии тока, протекающего в выходных проводниках второго щита.
Фиг. 2 - схема системы измерения, показанной на фиг. 1, при этом система измерения содержит первичный модуль измерения напряжения, множество вторичных модулей измерения силы тока и модуль централизации.
Фиг. 3 - схема вторичного модуля, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 - блок-схема этапов заявленного способа измерения, осуществляемых первичным модулем, показанным на фиг. 2.
Фиг. 5 - блок-схема этапов этого же способа измерения, осуществляемых вторичными модулями, показанными на фиг. 2 и 3.
Фиг. 6 - блок-схема этапов этого же способа измерения, осуществляемых модулем централизации, показанным на фиг. 2.
Фиг. 7 - хронограмма моментов передачи и приема первого сообщения, передаваемого первичным модулем в направлении вторичных модулей.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Как показано на фиг. 1, трансформаторный пункт 10, соединенный с электрической сетью 12, содержит первый щит 14, второй щит 16, электрический трансформатор 18, подключенный между первым щитом и вторым щитом, и систему 20 измерения электрической энергии тока.
Трансформаторный пункт 10 выполнен с возможностью преобразования электрического тока, поступающего из сети 12 и имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второе электрическое напряжение.
Электрическая сеть 12 является сетью переменного тока, например, трехфазной сетью. Электрическая сеть 12 является сетью среднего напряжения, то есть сетью, напряжение в которой превышает 1000 вольт и меньше 50 000 вольт. Таким образом, первое трехфазное напряжение является средним напряжением.
В одном варианте, электрическая сеть 12 является сетью высокого напряжения, то есть сетью, напряжение в которой превышает 50 000 вольт. Иначе говоря, первое трехфазное напряжение является высоким напряжением.
Первый щит 14 содержит несколько входов 22, при этом каждый вход 22 содержит первый 24А, 24В, второй 26А, 26В и третий 28А, 28В входные проводники. Каждый первый, второй, третий входной проводник 24А, 24В, 26А, 26В, 28А, 28В соединен с электрической сетью через соответствующий входной выключатель 32. Трехфазный ток, протекающий в соответствующих входных проводниках 24А, 24В, 26А, 26В, 28А, 28В, имеет первое трехфазное напряжение.
Второй щит 16 содержит первый 34, второй 36, третий 38 и четвертый 39 первичные проводники и множество N выходов 40А, 40В,..., 40N, а именно, первый выход 40А, второй выход 40В,..., N-й выход 40N, при этом каждый выход 40А, 40В,..., 40N выполнен с возможностью выдачи трехфазного напряжения.
Каждый выход 40А, 40В, 40N является выходом низкого напряжения, то есть выходом, в котором напряжение ниже 1000 вольт. Таким образом, второе трехфазное напряжение является низким напряжением.
В варианте, каждый выход 40А, 40В,..., 40N является выходом среднего напряжения, то есть выходом, в котором напряжение превышает 1000 вольт и меньше 50 000 вольт. Иначе говоря, второе трехфазное напряжение является средним напряжением.
Первый выход 40А содержит первый 42А, второй 44А, третий 46А и четвертый 48А вторичные проводники и три выходных выключателя 50. Первый, второй и третий вторичные проводники 42А, 42В, 42С, соответственно, соединены с первым, вторым и третьим первичными проводниками 34, 36, 38 через соответствующий выходной выключатель 50. Четвертый вторичный проводник 48А соединен напрямую с четвертым первичным проводником 39.
Выходные первичные проводники 34, 36, 38 и соответствующие выходные вторичные проводники 42А, 44А, 46А имеют, по существу, одинаковое напряжение, а именно соответственно первое напряжение V1, второе напряжение V2 и третье напряжение V3, соответствующие трем фазам второго трехфазного напряжения.
Другие выходы 40В,..., 40N идентичны описанному выше первому выходу 40А и содержат такие же элементы, в обозначении которых буква А заменена соответствующей буквой В,..., N.
Электрический трансформатор 18 выполнен с возможностью преобразования тока, поступающего из электрической сети и имеющего первое переменное напряжение, в ток, поступающий на второй щит 16 и имеющий второе переменное напряжение. Электрический трансформатор 18 содержит первичную обмотку 52, соединенную с первым щитом 14, и вторичную обмотку 54, соединенную со вторым щитом 16.
Система 20 измерения выполнена с возможностью измерения электрической энергии тока, протекающего во вторичном проводнике или каждом вторичном проводнике 42А, 44А, 46А, 42В, 44В, 46В,..., 42N, 44N, 46N.
Система 20 измерения, показанная на фиг. 2, содержит первичный модуль 60, множество N вторичных модулей 62А, 62В,..., 62N, а именно первый вторичный модуль 62А, второй, не показанный вторичный модуль 62В,... и N-й вторичный модуль 62N, а также модуль 64 централизации.
Первичный модуль 60 содержит блок 66 измерения напряжения тока, протекающего в соответствующем первичном проводнике 34, 36, 38, и блок 68 обработки информации. Первичный модуль 60 содержит также радиоэлектрический приемопередатчик 70, радиоэлектрическую антенну 72 и блок 74 электрического питания блока измерения, блока обработки информации и радиоэлектрического приемопередатчика.
Для каждого из первого 42А, второго 44А и третьего 46а вторичных проводников первый вторичный модуль 62А содержит датчик 76А силы тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике 42А, 44А, 46А. Первый вторичный модуль 62А содержит блок 78А обработки информации, радиоэлектрический приемопередатчик 80А и радиоэлектрическую антенну 82А. Первый вторичный модуль 62А содержит также блок 84А электрического питания блока обработки информации и радиоэлектрического приемопередатчика. Первый вторичный модуль 62А идентифицирован единственным номером, называемым также идентификатором.
Другие вторичные модули 62В,..., 62N идентичны описанному выше первому вторичному модулю 62А и содержат такие же элементы, в обозначении которых буква А заменена соответствующей буквой В,..., N. Каждый из других вторичных модулей 62В,..., 62N тоже имеет единственный идентификатор.
Модуль 64 централизации содержит блок 86 обработки информации, базу данных 88 и интерфейс человек-машина 90. Модуль 64 централизации содержит радиоэлектрический приемопередатчик 92, радиоэлектрическую антенну 94 и блок 96 электрического питания блока обработки информации, базы данных, интерфейса человек-машина и радиоэлектрического приемопередатчика.
Блок 66 измерения выполнен с возможностью измерения первого напряжения V1 фазы, проходящей через первый первичный проводник 34, называемой также фазой номер 1 и обозначаемой Phase_1, второго напряжения V2 фазы, проходящей через второй первичный проводник 36, называемой также фазой номер 2 и обозначаемой Phase_2, и третьего напряжения V3 фазы, проходящей через третий первичный проводник 38, называемой также фазой номер 3 и обозначаемой Phase_3. Блок 66 измерения выполнен также с возможностью измерения частоты F трехфазного напряжения, на первичных проводниках 34, 36, 38.
Блок 68 обработки информации содержит процессор 98 и память 100, выполненную с возможностью записи программы 102 измерения напряжений V1, V2, V3, программы 104 сжатия выборок измеряемых напряжений. Память 100 выполнена с возможностью записи программы 106 передачи первого сообщения М1 в направлении каждого вторичного модуля 62А,..., 62N и модуля 64 централизации и программы 108 последовательного распределения единого маркера во вторичные модули 62А,..., 62N.
Радиоэлектрический приемопередатчик 70 соответствует протоколу связи ZigBee, основанному на стандарте IEEE-802.15.4. В варианте, радиоэлектрический приемопередатчик 70 соответствует стандарту IEEE-802.15.1 или стандарту IEEE-802.15.2. В другом варианте радиоэлектрический приемопередатчик 70 соответствует стандарту IEEE-802-11.
Радиоэлектрическая антенна 72 выполнена с возможностью передачи радиоэлектрических сигналов в направлении антенн 82А,..., 82N вторичных модулей и в направлении антенны 94 модуля централизации, а также с возможностью приема радиоэлектрических сигналов от упомянутых антенн 82А,..., 82N, 94. Иначе говоря, первичный модуль 60 связан с каждым из вторичных модулей 62А,..., 62N и с модулем 64 централизации через соответствующую радиоэлектрическую линию связи.
Блок 74 питания выполнен с возможностью электрического питания блока 66 измерения, блока 68 обработки информации и радиоэлектрического приемопередатчика 70 от трехфазного напряжения, проходящего через первичные проводники 34, 36, 38.
Каждый датчик 76А силы тока первого вторичного модуля 62А выполнен с возможностью измерения соответствующей силы тока среди первой силы тока 11А, протекающего в первом выходном вторичном проводнике 42А, второй силы тока 12А, протекающего во втором выходном вторичном проводнике 44А, и третьей силы тока 13А, протекающего в третьем выходном вторичном проводнике 46А.
Каждый датчик 76А силы тока, называемый также датчиком тока, содержит первый тороидальный сердечник 110А, расположенный вокруг соответствующего выходного вторичного проводника 42А, 44А, 46А, и первую обмотку 112А, расположенную вокруг первого тороидального сердечника, как показано на фиг. 3. Прохождение тока через соответствующий выходной вторичный проводник порождает индуцируемый ток, пропорциональный силе тока в первой обмотке 112А. Первый тороидальный сердечник 110А является тором Роговского. Предпочтительно первый тороидальный сердечник 110А является размыкающимся сердечником, чтобы облегчить его расположение вокруг соответствующих проводников.
Блок 78А обработки информации, показанный на фиг. 2, содержит процессор 114А данных и память 116А, связанную с процессором данных и выполненную с возможностью записи программы 118А измерения соответствующих значений силы тока, программы 120А приема первого сообщения М1, программы 122А временной синхронизации каждого датчика 76А тока относительно блока 66 измерения напряжения. Память 116А выполнена с возможностью записи программы 124А сжатия выборочных значений первой, второй и третьей силы тока 11А, 12А, 1А, программы 126А вычисления электрической энергии тока, протекающего в соответствующем вторичном проводнике 42А, 44А, 46А, и программы 128А передачи второго сообщения М2 в направлении модуля 64 централизации.
Радиоэлектрический приемопередатчик 80А является таким же, как и радиоэлектрический приемопередатчик 70.
Радиоэлектрическая антенна 82А такого же типа, что и радиоэлектрическая антенна 72, выполнена с возможностью приема радиоэлектрических сигналов от антенны 72 первичного модуля и от антенны 94 модуля централизации, а также с возможностью передачи радиоэлектрических сигналов на антенны 72, 94.
Блок 84А питания, показанный на фиг. 3, выполнен с возможностью питания блока 78А обработки информации и радиоэлектрического приемопередатчика 80А. Для каждого из первого 42А, второго 44А и третьего 46А вторичных проводников, блок 84А питания содержит второй тороидальный сердечник 130А, расположенный вокруг соответствующего вторичного проводника 42А, 44А, 46А, и вторую обмотку 132А, намотанную вокруг второго тороидального сердечника. Протекание тока в соответствующем вторичном проводнике 42А, 44А, 46А приводит к появлению индуцированного тока во второй обмотке 132А.
Блок 84А питания содержит преобразователь 134А, соединенный с каждой из вторых обмоток 132А и выполненный с возможностью подачи заданного напряжения в блок 78А обработки информации и в радиоэлектрический приемопередатчик 80А. Каждый второй тороидальный сердечник выполнен из железа. Предпочтительно каждый второй тороидальный сердечник 130А является размыкающимся сердечником для облегчения его расположения вокруг соответствующих проводников.
Иначе говоря, вторичный модуль 62А автоматически питается сам при помощи блока 84А питания, содержащего вторые тороидальные сердечники 130А, выполненные с возможностью получения магнитной энергии в результате прохождения тока в соответствующих вторичных проводниках 42А, 44А, 46А.
Компоненты других вторичных модулей 62В,..., 62N идентичны описанным выше компонентам первого вторичного модуля и содержат такие же элементы, в обозначении которых буква А заменена соответствующей буквой В,..., N.
Блок 86 обработки информации модуля централизации, показанного на фиг. 2, содержит процессор 136 данных и память 138, связанную с процессором и выполненную с возможностью записи программы 140 приема первого и второго сообщений М1, М2А,..., M2N, программы 142 записи в базу данных 88 информации, содержащейся в принятых сообщениях М1, М2А,..., M2N. Память 138 выполнена с возможностью записи программы 144 обработки упомянутой принятой информации, программы 146 вывода данных на дисплей и программы 148 передачи данных в направлении не показанного удаленного сервера.
Интерфейс человек-машина 90 содержит не показанные дисплей и клавиатуру ввода. В варианте, интерфейс человек-машина 90 содержит тактильный экран, и ввод данных осуществляют при помощи тактильных клавиш, выведенных на экран.
Радиоэлектрический приемопередатчик 92 является таким же, как и радиоэлектрические приемопередатчики 70, 80А,..., 80N.
Радиоэлектрическая антенна 94 является такой же, как и радиоэлектрические антенны 72, 82А,..., 82N, и выполнена с возможностью приема радиоэлектрических сигналов от антенны 72 первичного модуля и от антенн 82А,..., 82N вторичных модулей, а также с возможностью передачи радиоэлектрических сигналов в направлении упомянутых антенн 72, 82А,..., 82N.
Далее следует описание работы системы 20 измерения со ссылками на фиг. 4, 5 и 6, где представлены блок-схемы этапов способа измерения, осуществляемых соответственно первичным модулем 60, вторичными модулями 62А,..., 62N и модулем 64 централизации.
Как показано на фиг. 4, на первом этапе 200 происходит инициализация модуля 60, который измеряет частоту F трехфазного напряжения в первичных проводниках 34, 36, 38 при помощи программы 102 измерения. Частота F трехфазного напряжения равна 50Гц.
ech
tension
tension
Затем на этапе 210 первичный модуль 60 измеряет первое, второе и третье напряжения V1, V2, V3 при помощи своего блока 66 измерения и своей программы 102 измерения. Кроме того, программа 102 дискретизирует измеренные значения напряжений V1, V2, V3. Период квантования P измеренного напряжения является кратным периоду P трехфазного напряжения, равному обратной величине частоты F упомянутого трехфазного напряжения, измеренного ранее на этапе 200. Период P трехфазного напряжения равен 20 мс.
На этапе 220 первичный модуль 60 сжимает измеренные значения напряжений V1, V2, V3 при помощи своей программы 104 сжатия, чтобы ограничить количество данных, передаваемых через радиоэлектрические линии связи между первичным модулем 60 и вторичными модулями 62А,..., 62N. Программа 104 сжатия выполнена с возможностью вычисления заранее определенного числа К первых коэффициентов Re_j(Vi), Im_j(Vi) разложения в ряд Фурье каждого из напряжений V1, V2, V3 трех фаз, где i является номером фазы, равным 1, 2 или 3, и j находится в пределах от 1 до К. Предпочтительно заранее определенное число К равно 5.
tension
tension
Коэффициенты разложения в ряд Фурье получают, например, в результате операций корреляции на выборках измеренных значений. В частности, реальный коэффициент основной частоты, обозначаемый Re_1(Vi), является корреляцией за время, равное периоду P трехфазного напряжения, между выборками сигнала напряжения Vi и косинусом частоты, равной частоте F трехфазного напряжения, гдеVi обозначает напряжение фазы, при этом i равно 1, 2 или 3. Мнимый коэффициент основной частоты, обозначаемый Im_1(Vi), является корреляцией за время, равное периоду P, между выборками сигнала напряжения Vi и синусом частоты, равной частоте F.
tension
tension
Реальный коэффициент гармоники номер j, обозначаемый Re_j(Vi), где j составляет от 2 до К, является корреляцией за время, равное периоду P, между выборками сигнала напряжения Vi и косинусом частоты, равной j-кратной частоте F. Мнимый коэффициент гармоники номер j, обозначаемый Im_j(Vi), является корреляцией за время, равное периоду P, между выборками сигнала напряжения Vi и синусом частоты, равной j-кратной частоте F.
Таким образом, программа 104 сжатия вычисляет сложные коэффициенты Re_j(Vi), Im_j(Vi) разложения в ряд Фурье трех напряжений V1, V2, V3 для основной частоты и для гармоник 2-К.
émission
Наконец, на этапе 230 первичный модуль 60 передает первое сообщение М1 в направлении каждого из вторичных модулей 62А,..., 62N и модуля 64 централизации. Предпочтительно, передачу первого сообщения М1 осуществляют периодически. Период передачи P определяют заранее, и он предпочтительно равен одной секунде. Иначе говоря, первое сообщение М1 передают через каждую секунду.
ech
В частности, первое сообщение М1 содержит данные синхронизации, период дискретизации P, коэффициенты Re_j(Vi), Im_j(Vi) разложений в ряд Фурье трех напряжений V1, V2, V3 до гармоники К, вычисленные ранее на этапе 220, и идентификатор вторичного модуля, который получит разрешение на передачу своего второго сообщения в направлении модуля 64 централизации после получения первого сообщения М1. Идентификатор вторичного модуля, получившего разрешение на передачу своих данных измерения, определяют при помощи программы 108 распределения единого маркера, при этом идентификатор модуля, содержащийся в первом сообщении М1, позволяет указать вторичный модуль, которому выделен единый маркер.
Первое сообщение М1 дополнительно содержит среднеквадратические значения, называемые также RMS, каждого из трех напряжений V1, V2, V3.
После передачи первого сообщения М1 первичный модуль 60 возвращается на этап 210, чтобы снова измерить напряжение V1, V2, V3 фаз трехфазного напряжения в первичных проводниках 34, 36, 38.
Далее следует описание показанных на фиг. 5 этапов способа измерения, осуществляемых вторичными модулями 62А, …, 62N, для первого вторичного модуля 62А.
На этапе 300 происходит инициализация первого вторичного модуля 62А, который открывает скользящее окно приема первого сообщения М1 при помощи свой программы 120А приема. Окно приема является окном продолжительностью в несколько десятков миллисекунд, которое первый вторичный модуль 62А смещает во времени.
Во время приема первого сообщения М1 при помощи программы 120А приема первый вторичный модуль 62А проверяет, чтобы первое сообщение М1 содержало данные синхронизации, после чего переходит на этап 320 временной синхронизации с первичным модулем 60.
émission
ech
На этапе 320 программа 122А синхронизации инициализирует на дату приема первого сообщения М1 счетчик, который производит свою инкрементацию для значения, соответствующего периоду передачи P первого сообщения. При этом вторичный модуль 62А автоматически возвращается на этап 310 приема примерно за одну миллисекунду до ожидаемого приема следующего первого сообщения М1. Программа 122А синхронизации осуществляет также повторную синхронизацию дискретизации при помощи значения периода дискретизации P, содержащегося в первом сообщении М1, и даты приема первого сообщения М1.
Дата приема первого сообщения М1 является датой отсчета для синхронизации первого вторичного модуля 62А относительно первичного модуля 60 и, в частности, для синхронизации измерения значений силы тока I1A, I2A, I3A относительно измерения напряжений I1A, I2A, I3A.
Если первый вторичный модуль 62А не обнаружил первого сообщения М1, окно приема закрывается и не происходит никакой синхронизации.
На этапе 330 при помощи своих датчиков тока 76А и своей программы 118А измерения первый вторичный модуль 62А измеряет каждую из первой, второй, и третьей силы тока I1A, I2A, I3A. Кроме того, программа 118А измерения дискретизирует измеренные значения трех сил тока I1A, I2A, I3A, при этом момент начала дискретизации был повторно инициализирован на предыдущем этапе 320 для обеспечения временной синхронизации датчика 76А силы тока по отношению к блоку 66 измерения напряжения.
После этого программа 124А сжатия сжимает измеренные значения силы тока I1A, I2A, I3A на этапе 340. Например, программа 124А сжатия вычисляет заранее определенное число К первых сложных коэффициентов Re_j(IiA), Im_j(IiA) разложения в ряд Фурье трех токов I1A, I2A, I3A трех фаз аналогично описанному для этапа 220 вычислению сложных коэффициентов Re_j(Vi), Im_j(Vi) разложения в ряд Фурье напряжений.
tension
tension
Реальный коэффициент основной частоты, обозначаемый Re_1(IiA), является корреляцией за время, равное периоду P трехфазного напряжения, между выборками сигнала силы тока IiA и косинусом частоты, равным частоте F трехфазного напряжения, где IiA обозначает силу тока фазы номер i, при этом i равно 1, 2 или 3. Мнимый коэффициент основной частоты, обозначаемый Im_1(IiA), является корреляцией за время, равное периоду P, между выборками сигнала силы тока IiA и синусом частоты, равным частоте F.
tension
tension
Реальный коэффициент гармоники номер j, обозначаемый Re_j(IiA), где j составляет от 2 до К, является корреляцией за время, равное периоду P, между выборками сигнала силы тока IiA и косинусом частоты, равным j-кратной частоте F. Мнимый коэффициент гармоники номер j, обозначаемый Im_j(IiA), где j составляет от 2 до К, является корреляцией за время, равное периоду P, между выборками сигнала силы тока IiA и синусом частоты, равной j-кратной частоте F.
Таким образом, программа 124 сжатия вычисляет сложные коэффициенты Re_j(IiA), Im_j(IiA) разложения в ряд Фурье трех сил тока I1A, I2A, I3A для основной частоты и для гармоник 2-К.
1
2
3
1
2
3
tension
При этом программа 126А вычисления периодически вычисляет активную энергию Е, Е, Е для каждой из трех фаз на основании значений измеренных напряжений V1, V2, V3, полученных от первичного модуля 60 в первом сообщении М1, и значений силы тока I1A, I2A, I3A, измеренных датчиками тока 76А. Период вычисления значений активной энергии Е, Е, Е равен периоду P, то есть, например, 20 мс.
1
2
3
Изменения напряжений V1, V2, V3 являются достаточно ограниченными между двумя моментами передачи первого сообщения М1, то есть за период в одну секунду, что позволяет вычислять значения активной энергии Е, Е, Е каждые 20 мс на основании значений силы тока I1A, I2A, I3A, измеряемых каждые 20 мс, и значений напряжений V1, V2, V3, получаемых каждую секунду.
1
2
3
tension
Для вычисления значений активной энергии Е, Е, Е программа 126А вычисления вычисляет за каждый период P активную мощность Pi каждой фазы номер i, при этом i равно 1, 2 или 3, при помощи следующих уравнений:
где j составляет от 1 до К
tension
i
Программа 126 вычисления определяет также за каждый период P реактивную мощность Q каждой фазы номер i, при этом i равно 1, 2 или 3, при помощи следующих уравнений:
где j составляет от 1 до К
i
i+
i,1
i-
i,1
i,1
1+
1-
2+
2-
3+
3-
1
2
3
Наконец, активную энергию E каждой фазы номер i вычисляют, инкрементируя для каждой фазы положительный счетчик энергии E, если член P, вычисленный при помощи уравнения (1) является положительным, и инкрементируя для каждой фазы отрицательный счетчик энергии E, если член P является отрицательным. Член P представляет собой мощность, соответствующую произведению основной частоты тока и основной частоты напряжения. Счетчики энергии Е, Е, Е, Е, Е, Е инкрементируют для трех фаз трехфазного напряжения, чтобы вычислить значения активной энергии Е, Е, Е для трех фаз трехфазного напряжения.
1-
2+
2-
3+
3-
После этого на этапе 350 первый вторичный модуль 62А формирует свое второе сообщение М2А. Второе сообщение М2А содержит идентификатор первого вторичного модуля 62А, значения шести счетчиков энергии Е, Е, Е, Е, Е для всех трех фаз трехфазного напряжения и сложные коэффициенты Re_j(IiA), Im_j(IiA) разложения в ряд Фурье трех токов I1A, I2A, I3A до гармоники К.
i,1
i,1
i
i
Дополнительно второе сообщение М2А содержит среднеквадратические значения, называемые также RMS, токов I1A, I2A, I3A трех фаз, а также члены Pи Q для каждой из трех фаз, и значения P и Q для каждой из трех фаз.
Если предположить, что в принятом ранее сообщении М1 содержался идентификатор первого вторичного модуля 62А, то на этапе 360 первый вторичный модуль 62А передает свое второе сообщение М2А при помощи своей программы 128А передачи. В противном случае, первый вторичный модуль 62А сразу возвращается на этап 310 приема первого сообщения М1 и передаст свое второе сообщение М2А, когда первое сообщение М1 будет содержать его идентификатор, который показывает, что ему выделен единый маркер для разрешения передачи его второго сообщения М2А.
emission
После этапа передачи 360 в случае, если маркер был выделен первому вторичному модулю 62А, или, в противном случае, после этапа 350 первый вторичный модуль 62А возвращается на этап приема 310, если счетчик достиг значения, соответствующего периоду передачи P, и если нет - на этап измерения 330.
Этапы способа измерения, осуществляемые другими вторичными модулями 62В,..., 62N, идентичны этапам 300-360, описанным выше для первого вторичного модуля 62А, и к тому же происходят одновременно между всеми вторичными модулями 62А,..., 62N, благодаря временной синхронизации, осуществленной при помощи первого сообщения М1.
На этапе передачи 360 единственным вторичным модулем среди всех вторичных модулей 62А,..., 62N, имеющим разрешение на передачу своего второго сообщения, является вторичный модуль, идентификатор которого содержится в первом сообщении М, принятом на предыдущем этапе приема 310. Программа 108 распределения определяет в возрастающем порядке идентификаторы, содержащиеся в первом сообщении М1, чтобы последовательно выделять единый маркер для вторичных модулей 62А,..., 62N. Иначе говоря, каждый вторичный модуль 62А,..., 62N передает каждые 20 секунд свое соответствующее второе сообщение М2А,..., M2N.
Как показано на фиг. 6, на этапе 400 модуль 64 централизации принимает при помощи своей программы 140 приема первое сообщение М1 от первичного модуля 60 и второе сообщение от вторичного модуля, получившего разрешение на передачу, например, сообщения М2А, согласно механизму распределения маркера.
i
На следующем этапе 420 программа 144 обработки вычисляет коэффициент мощности cos(ϕ) для каждого из трехфазных напряжений с номерами i трехфазного напряжения при помощи следующего уравнения
Затем величины, измеренные и вычисленные системой измерения выводятся на дисплей интерфейса человек-машина 90 модуля централизации при помощи программы 146 вывода на дисплей на этапе 430. Эти величины выводятся на дисплей в виде цифровых значений и/или в виде кривых.
Наконец, на этапе 440 и при помощи программы 148 передачи модуль 64 централизации передает эти измеренные и вычисленные значения в не показанный удаленный сервер. Удаленный сервер выполнен с возможностью централизованного управления измеренными и вычисленными величинами для каждой системы 20 измерения.
По завершении этапа 440 модуль 64 централизации возвращается на этап 400 для приема следующего первого сообщения М1 от первичного модуля и второго сообщения от вторичного модуля, который получил разрешение на передачу в следующий раз, например, сообщения М2А, согласно механизму распределения маркера.
1
2
3
Таким образом, система 20 измерения, в соответствии с изобретением, является менее сложной и менее дорогой, чем известная система измерения, поскольку вторичные модули 62А,..., 62N предусмотрены только для измерения силы тока каждой фазы трехфазного тока, протекающего в соответствующих вторичных проводниках, без измерения напряжения каждой из фаз. Напряжение каждой фазы измеряет первичный модуль 60, который затем передает его в каждый из вторичных модулей 62А,..., 62N. При этом каждый вторичный модуль 62А,..., 62N использует значения напряжения, полученные от первичного модуля 60, в комбинации со значением силы тока каждой фазы, измеренным его датчиком тока 76А,..., 76N, для вычисления электрической энергии Е, Е, Е каждой фазы соответствующего выхода 40А,..., 40N.
1
2
3
Система 20 измерения, в соответствии с изобретением, позволяет также получать очень точное измерение значений активной энергии Е, Е, Е для каждой из трех фаз трехфазного тока за счет временной синхронизации каждого датчика тока 76А относительно блока измерения 66 напряжения.
Временная синхронизация является очень точной, и измеряемый сдвиг синхронизации составляет порядка плюс или минус 500 наносекунд при современной технологии радиоэлектрических приемопередатчиков 70, 80А,..., 80N, 92 и блоков обработки информации 68, 78А,..., 78N, 86.
Все модули 60, 62А,..., 62N, 64 соединены между собой через радиоэлектрические линии связи при помощи своего соответствующего радиоэлектрического приемопередатчика 70, 82А,..., 82N, 92, что позволяет облегчить установку системы 20 измерения в трансформаторном пункте 10.
Сжатие данных, касающихся измеренных напряжения и силы тока, при помощи программ 104, 124А,..., 124N позволяет ограничить количество данных, передаваемых через радиоэлектрические линии связи, и ограничить, таким образом, потребление энергии системой 20 измерения. Кроме того, сжатие данных позволяет снизить чувствительность системы 20 измерения к радиоэлектрическим возмущениям типа помех или к нарушению электромагнитного подсчета, называемому также нарушением СЕМ.
Передача второго сообщения M2A,..., M2N, согласно механизму распределяемого маркера, позволяет уменьшить радиоэлектрические помехи между вторичными модулями 62A,..., 62N.
Согласно другому, не показанному варианту выполнения, первичный модуль 60 и модуль 64 централизации объединены в один общий модуль, что позволяет использовать один радиоэлектрический приемопередатчик для общего модуля вместо двух радиоэлектрических приемопередатчиков 70, 92 первичного модуля и модуля централизации.
Другие преимущества этого второго варианта выполнения идентичны преимуществам описанного выше первого варианта выполнения.
Кроме того, этот второй вариант выполнения работает так же, как и описанный выше первый вариант выполнения.
Для каждого датчика тока 76А прохождение тока через выходной вторичный проводник приводит к появлению сигнала, пропорционального силе тока в первой обмотке 112А.
Как показано на фиг. 4, на первом этапе 200 первичный модуль 60 производит свою инициализацию и измеряет частоту F трехфазного напряжения первичных проводников 34, 36, 38 при помощи программы 102 измерения. Частота F трехфазного напряжения равна частоте сети, например, 50 Гц в Европе и 60 Гц, например, в США.
ech
tension
tension
Затем на этапе 210 первичный модуль 60 измеряет первое, второе и третье напряжения V1, V2, V3 при помощи своего блока 66 измерения и своей программы 102 измерения. Кроме того, программа 102 дискретизирует измеренные значения напряжений V1, V2, V3. Частота F дискретизации измеренного напряжения является кратной частоте F трехфазного напряжения, равной обратной величине периода Pупомянутого трехфазного напряжения, измеренного ранее на этапе 200. Период P трехфазного напряжения равен периоду сети, то есть примерно 20 мс в Европе и примерно 16,66 мс в США.
tension
На этапе 210, чтобы оптимизировать точность измерения энергии, регулярно измеряют период P напряжения, чтобы учитывать его изменения во времени, например, каждые 10 секунд.
На этапе 220 так же, как и в первом варианте выполнения, вычисляют коэффициенты разложения в ряд Фурье каждого из напряжений V1, V2, V3 трех фаз.
émission
Наконец, на этапе 230 первичный модуль 60 передает первое сообщение М1 в направлении каждого из вторичных модулей 62А,..., 62N и модуля 64 централизации. Предпочтительно, передача первого сообщения М1 происходит периодически. Период передачи P определяют заранее, и предпочтительно он равен одной секунде.
Первое сообщение М1 содержит поле заголовка, называемое также вводной частью, поле SFD (начала ограничения фрейма), поле PHR (физический заголовок), поле данных и поле CRC (циклической проверки избыточности). Вводная часть имеет размер 4 байта, поля SFD и PHR имеют, каждое, размер в один байт, поле данных имеет переменный размер, обозначаемый n байт, и поле CRC имеет размер в 2 байта. В примере выполнения, показанном на фиг.7, первое сообщение М1 содержит поле заголовка, поле SFD, поле PHR, поле данных и поле CRC.
ech
В частности, поле данных первого сообщения М1 содержит период дискретизации P, коэффициенты Re_j(Vi), Im_j(Vi) разложений в ряд Фурье трех напряжений V1, V2, V3 до гармоники К, вычисленные ранее на этапе 220, и идентификатор вторичного модуля, которому будет дано разрешение на передачу своего второго сообщения в модуль 64 централизации после приема первого сообщения М1. Идентификатор вторичного модуля, получающего разрешение на передачу данных измерения, определяют при помощи программы 108 распределения единого маркера, при этом идентификатор модуля, содержащийся в первом сообщении М1, указывает вторичный модуль, которому был выделен единый маркер.
Поле данных первого сообщения дополнительно содержит среднеквадратические значения, называемые также RMS, каждого их трех напряжений V1, V2, V3.
На этапе 300 первый вторичный модуль 62А производит свою инициализацию и открывает скользящее окно приема первого сообщения М1 при помощи своей программы 120А приема.
Во время приема первого сообщения М1 первый вторичный модуль 62А обнаруживает момент Tr приема поля SFD, при этом прием поля SFD приводит к выключению первого вторичного модуля 62А радиоэлектрическим приемником. При этом обнаружение момента приема Tr позволяет вычислить момент Те, в который первое сообщение М1 было передано радиоэлектрическим передатчиком первичного модуля 60. Действительно, момент передачи Те равен моменту приема Tr минус время Dp прохождения первого сообщения М1 по радиоэлектрической линии связи между первичным модулем и соответствующим вторичным модулем, при этом время Dp прохождения является фиксированным и известным для данного размера поля данных первого сообщения М1. Затем первый вторичный модуль 62А переходит на этап 320 временной синхронизации с первичным модулем 60.
На этапе 320 программа 122А синхронизации работает так же, как и в первом варианте выполнения.
Так, происходит повторная инициализация момента начала дискретизации для обеспечения временной синхронизации блока 78А обработки информации относительно блока 66 измерения напряжения.
Если первый вторичный модуль 62А не обнаруживает первого сообщения М1, окно приема закрывается, и не происходит никакой синхронизации. При этом вторичный модуль 62А продолжает дискретизацию, как он делал на этапе 340 предыдущего цикла, пока не поступит новое сообщение М1, позволяющее опять произвести синхронизацию. Таким образом, точность измерения может слегка ухудшиться с точки зрения времени, но система измерения остается функциональной в отсутствие приема нескольких сообщений М1. Иначе говоря, система 20 измерения остается надежной при временном отсутствии приема первого сообщения М1.
На этапе 340 система 124А сжатия работает, как и в первом варианте выполнения.
При этом программа 126 вычисления периодически вычисляет значения активной энергии Е1+, Е2+, Е3+, Е1-, Е2-, Е3- для каждой из трех фаз на основании измеренных напряжений V1, V2, V3, полученных от первичного модуля 60 в первом сообщении М1, и значений силы тока I1A, I2A, I3A, измеренных датчиками тока 76А.
tension
Для каждой фазы i вычисляют первое значение Ei+ и второе значение Ei- активной энергии. Первая активная энергия Ei+ является общей электрической энергией, потребляемой нагрузкой, подключенной к фазе i на выходе соответствующего вторичного модуля. Вторая активная энергия Ei- является общей электрической энергией, производимой генератором, подключенным к фазе i на выходе соответствующего вторичного модуля. Период вычисления значений активной энергии Е1+, Е2+, Е3+, Е1-, Е2-, Е3- равен периоду P, то есть, например, около 20 мс в Европе и около 16,66 мс в США.
Аналогично первому варианту выполнения изменения напряжений, V1, V2, V3 являются достаточно ограниченными между двумя моментами передачи первого сообщения М, что позволяет вычислять активную энергию Е1+, Е2+, Е3+, Е1-, Е2-, Е3- каждые 20 мс на основании значений силы тока I1A, I2A, I3A, измеряемых каждые 20 мс, и значений напряжений V1, V2, V3, принимаемых каждую секунду.
i
i
ech
Активную P и реактивную Q мощность вычисляют так же, как это было описано для первого варианта выполнения, при помощи уравнений (1)-(4), учитывая, что первые коэффициенты разложений в ряд Фурье каждого из напряжений V1, V2, V3, с одной стороны, и первые коэффициенты разложений в ряд Фурье каждого из значений сил тока I1A, I2A, I3A, с другой стороны, вычисляют при одновременности выборок, то есть выборок, начинающихся в один и тот же момент, учитывая повторную синхронизацию дискретизации на этапе 320 при такой же частоте дискретизации F.
tension
i,1
В каждом периоде P первую активную энергию Ei+ инкрементируют, только если значение P является положительным, то есть мощность, соответствующая произведению основной частоты тока и основной частоты напряжения, является положительной, что соответствует мощности, потребляемой нагрузкой на выходе системы измерения.
tension
i,1
При этом инкремент ΔEi+ первой активной энергии равен произведению периода P с активной мощностью P, вычисленной за последний период, согласно следующему уравнению:
i+
tension
i,1
i,1
ΔE=P×P при P>0 (6)
tension
i,1
В каждом периоде P вторую активную энергию Ei- инкрементируют, только если значение P является отрицательным, то есть мощность, соответствующая произведению основной частоты тока и основной частоты напряжения, является отрицательной, что соответствует мощности, выдаваемой генератором на выходе системы измерения.
tension
i,1
При этом инкремент ΔEi- второй активной энергии равен произведению периода P с активной мощностью P, вычисленной за последний период, согласно следующему уравнению:
i-
tension
i,1
i,1
ΔE=P×P при P<0 (7)
Таким образом, для трехфазной электрической сети система 20 измерения непрерывно инкрементирует шесть счетчиков энергии: Е1+, Е1-, Е2+, Е2-, Е3+ и Е3-. Таким образом, произведенная и потребляемая энергии являются разными. Система 20 измерения выполнена также с возможностью измерения энергии, выдаваемой генераторами энергии, распределенными в электрической сети.
Так же, как и в первом варианте выполнения, второе сообщение М2А содержит идентификатор первого вторичного модуля, значения шести счетчиков энергии Е1-, Е2+, Е2-, Е3+, Е3- для всех трех фаз трехфазного напряжения и сложные коэффициенты Re_j(IiA), Im_j(IiA) разложения в ряд Фурье трех токов I1A, I2A, I3A до гармоники К.
i,1
i,1
i
i
Второе сообщение М2А дополнительно содержит среднеквадратические значения, называемые также RMS, токов I1A, I2A, I3A трех фаз, а также значения P и Q для каждой из трех фаз, и значения P и Q для каждой из трех фаз.
Этапы 400-420 идентичны этапам первого варианта выполнения, при этом модуль 64 централизации записывает в базу данных 88 принятые значения, содержащиеся в первом сообщении М1 и во вторых сообщениях М2А,...,M2N.
На этапе 420 программа 144 обработки дополнительно вычисляет различные составляющие, характеризующие трехфазное напряжение сети, а именно: сложные основные напряжения V11, V12 и V13, временную составляющую V0, прямую составляющую Vd, обратную составляющую Vi и дисбаланс Δ при помощи следующих уравнений:
V11=Re_1(V1)+j×Im_(V1) (8)
V12=Re_1(V2)+j×Im_(V2) (9)
V13=Re_1(V3)+j×Im_(V3) (10)
V0=1/3(V11+V12+V13) (11)
Vd=1/3(V11+α×V12+α2×V13) (12),
где α является оператором вращения, определяемым как:
α=ej2π/3 (13)
Vi=1/3(V11+α2×V12+α×V13) (14)
Δ= (15)
Гомополярная составляющая V0 является нулевой, если сеть не имеет никаких неисправностей.
В описанном выше примере выполнения, представленном на фиг. 1-7, электрическая сеть 12 является трехфазной сетью, и ток, измеряемый при помощи системы 20 измерения, является трехфазным током. Разумеется, специалисту понятно, что изобретение можно также применять для однофазной электрической сети и к измерению однофазного переменного тока.
Таким образом, система 20 измерения в соответствии с изобретением является более точной, менее сложной и менее дорогой.