專利名稱：具有電能計量和合并單元功能的單個ied的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的多個方面一般涉及智能電子設(shè)備，更具體地涉及具有集成的電能計量和合并單元功能的智能電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，已存在用于執(zhí)行計量和電能質(zhì)量計算的基于控制器的電能計量設(shè)備，其為一種智能電子設(shè)備(IED)。還存在一種稱為合并單元的設(shè)備，其將來自各個電流變換器 (Current Transformer, CT)和電壓變換器(Potential Transformer, PT)的多個輸入(通常為數(shù)字)信號合并，并輸出一組合并后的信號，以在遠離該合并單元的地方進行處理和儲存。目前，這些電能計量和合并功能由單獨的設(shè)備來實現(xiàn)，這些單獨的設(shè)備不得不用昂貴的銅線耦接在一起。這兩個設(shè)備之間的取樣同步性差，并且合并單元可以提供比需要執(zhí)行特定的計量計算實際所需更多的信號。例如，因為當(dāng)電氣系統(tǒng)上發(fā)生某種故障或異常事件時將出現(xiàn)飽和情況，當(dāng)測量CT變得飽和時，可能僅僅來自保護CT的數(shù)據(jù)是有用的，但合并單元仍將提供來自測量CT和保護CT兩者的信號，這在擁塞不利時增加了網(wǎng)絡(luò)流量。因此，至少需要一種將電能計量和合并單元功能合并至單個IED中的裝置。本公開旨在解決這些和其他需求。

發(fā)明內(nèi)容
一種智能電子設(shè)備(IED)，其包括外殼；在所述外殼處接收的多個輸入，其用于接收來自相應(yīng)的第一電流變換器或電壓變換器的電流或電壓信號的表征；布置在所述外殼內(nèi)的電能計量單元，所述電能計量單元用于計算包括所述電流或電壓信號中任一個的表征的函數(shù)；布置在所述外殼內(nèi)的合并單元，所述合并單元設(shè)置用于將所述電流或電壓信號的數(shù)字表征合并成合并后的數(shù)字取樣的單個集合；布置在所述外殼內(nèi)的存儲器，所述存儲器用于存儲所述合并后的數(shù)字取樣的單個集合；和耦接至所述存儲器的微控制器。所述多個輸入包括多個模擬輸入，并且，至少一些所述第一電流變換器或電壓變換器是模擬變換器，每個所述模擬變換器輸出由至少一些所述變換器各自所檢測到的模擬電流或電壓的模擬表征。所述設(shè)備還包括布置在所述外殼內(nèi)的數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，所述數(shù)字轉(zhuǎn)換單元將來自所述模擬輸入的所述模擬電流或電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字化電流或電壓取樣。所述多個輸入可以包括多個數(shù)字輸入，所述電流或電壓信號的表征可以是表示電流或電壓信號的數(shù)字取樣。至少一些所述第一電流變換器或電壓變換器可以是數(shù)字變換器，每個數(shù)字變換器輸出由所述至少一些變換器各自所檢測到的模擬電流或電壓的數(shù)字表征。第一電流變換器或電壓變換器可以包括保護電流變換器。第一電流變換器或電壓變換器可以包括測量電流變換器。第一電流變換器或電壓變換器可以包括保護電流變換器和測量電流變換器。該設(shè)備還可以包括將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在至少一些所述電流或電壓信號的數(shù)字表征上的標(biāo)記單元。所述第一電流或電壓變換器可以包括保護電流變換器和測量電流變換器。所述合并單元可以設(shè)置成將與保護變換器有關(guān)的電流或電壓信號的數(shù)字表征和與測量變換器有關(guān)的電流或電壓信號的數(shù)字表征合并為所述合并后的數(shù)字取樣的集合。元數(shù)據(jù)標(biāo)記還可以包括用于所述多個輸入中的每個輸入以及發(fā)出每個所述電流或電壓信號的物理變換器的指示。所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還可以包括采樣率，每個所述采樣率表示以數(shù)字方式對所述電流或電壓信號的各個數(shù)字表征進行采樣的速率。所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括與至少一些所述第一變換器各自有關(guān)的最大初級電流和次級電流之比值對應(yīng)的標(biāo)度值。所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括與至少一些所述第一變換器各自的校準(zhǔn)對應(yīng)的校準(zhǔn)值。所述存儲器可以存儲電氣系統(tǒng)中的所述IED相對于所述電氣系統(tǒng)中的所有其他IED的物理位置的表征。所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括所述物理位置的表征。所述設(shè)備還包括用于將所述合并后的數(shù)字取樣的單個集合的格式化后的表征經(jīng)由第一通信網(wǎng)絡(luò)傳送至訂閱設(shè)備的第一通信接口。所述格式化后的表征根據(jù)取樣測量值(SMV)格式來表達。所述第一通信接口通過發(fā)布-訂閱信息協(xié)議發(fā)送所述合并后的數(shù)字取樣的單個集合的所述格式化后的表征。所述發(fā)布-訂閱信息協(xié)議由國際電工委員會(IEC)61850-9 標(biāo)準(zhǔn)定義。所述訂閱設(shè)備為繼電器、控制器、遠程終端單元(RTU)或功率計。由所述電能計量單元計算得到的所述函數(shù)生成計量數(shù)據(jù)。所述設(shè)備還包括用于將所述計量數(shù)據(jù)的格式化后的表征經(jīng)由第二通信網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程計算機系統(tǒng)的第二通信接口。所述遠程計算機系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)。所述計量數(shù)據(jù)的所述格式化后的表征根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議經(jīng)由所述第二通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。由所述電能計量單元計算得到的所述函數(shù)生成計量數(shù)據(jù)。 所述設(shè)備還包括用于將所述計量數(shù)據(jù)的格式化后的表征經(jīng)由所述第一通信網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程計算機系統(tǒng)的第二通信接口。通過對所述微控制器進行編程，以將初級時間戳施加在所述數(shù)字化電流或電壓取樣上，每個所述初級時間戳表示每個所述數(shù)字化取樣在各個所述第一變換器的初級側(cè)上出現(xiàn)的特定時間。所述設(shè)備還包括將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在至少一些所述數(shù)字化電流或電壓取樣上的標(biāo)記單元。每個所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括與各個所述數(shù)字化取樣有關(guān)的各個所述初級時間戳。所述多個數(shù)字輸入設(shè)置成接收每個所述數(shù)字取樣的對應(yīng)初級時間戳，每個所述初級時間戳表示每個所述數(shù)字取樣在各個所述第一變換器的初級側(cè)出現(xiàn)的特定時間。通過對所述微控制器進行編程，以將次級時間戳施加在至少一些所述數(shù)字取樣上。每個所述次級時間戳表示每個所述數(shù)字取樣在各個所述數(shù)字輸入處被接收的特定時間。所述設(shè)備還包括將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在所述數(shù)字電流或電壓取樣上的標(biāo)記單元。每個所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括與各個所述數(shù)字取樣有關(guān)的各個所述初級時間戳和次級時間戳。通過對所述微控制器進行編程， 以將初級時間戳施加在所述數(shù)字化電流或電壓取樣上。每個所述初級時間戳表示每個所述數(shù)字化取樣在各個所述第一變換器的初級側(cè)出現(xiàn)的特定時間。每個所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括與各個所述數(shù)字化取樣有關(guān)的各個初級時間戳。通過參照附圖對各種實施例的詳細描述，本發(fā)明的前述和其它的各個方面對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言會很清楚，下面作出簡要說明。


在參照附圖并閱讀下列詳細說明后，本發(fā)明的前述和其它的優(yōu)點將會很明顯。圖1是包括根據(jù)本文公開的多個方面的智能電子設(shè)備(IED)的電氣系統(tǒng)的功能框圖；圖2是包括合并單元和電能計量單元的圖1所示的IED的功能框圖；圖3是圖1所示的IED的功能性部件的功能框流程圖。雖然本發(fā)明容許各種變化和替代形式，但借助附圖中的例子表示了具體的實施例并將在本文中詳細描述。但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于公開的具體形式。相反，本發(fā)明旨在包含落入如所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有變化、等同和替代形式。
具體實施例方式現(xiàn)在轉(zhuǎn)至圖1，圖示的新型智能電子設(shè)備(IED)位于含有變電站開關(guān)站102和控制室104的系統(tǒng)中，控制室104包括多個經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)116而通訊耦接至IED 100的IED 106、 108、110、112，還包括遠程計算機系統(tǒng)114，該遠程計算機系統(tǒng)114是可運行軟件應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)，所述軟件應(yīng)用程序例如是計費軟件應(yīng)用程序。遠程計算機系統(tǒng)114經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)118而通訊耦接至IED 100，網(wǎng)絡(luò)118可以和耦接至IED 106,108, 110、112的網(wǎng)絡(luò)116為同一個或不同。如本文所使用的，為了區(qū)分如IED 106、108、110、112 的傳統(tǒng)IED和新型IED 100，根據(jù)本發(fā)明的IED是指代IED 100。其余IED 106、108、110、 112可以是任何傳統(tǒng)的基于微控制器的設(shè)備，包括繼電器、控制器、遠程終端單元(RTU)或電路監(jiān)視器或功率計。IED具有特殊功能，例如計量、電能質(zhì)量計算、繼電或保護，等等。例如IED 100,112的電路監(jiān)視器或功率計可以是基于施耐德電氣提供的P0WERL0GIC 系列 3000/4000電路監(jiān)視器或P0WERL0GIC I0N7550/7650功率能量表。IED 100包括多個輸入，接受來自各個測量和/或保護電流變換器120、122、124 和/或來自各個電壓變換器126、1 的模擬和/或數(shù)字信號。這里，每個輸入也可稱作“通道”。變換器可以是輸出模擬或數(shù)字信號的電流變換器(CT)120a-C、122、lMa-C，該模擬或數(shù)字信號相當(dāng)于該CT的初級線圈中的電流量，變換器還可以是輸出模擬或數(shù)字信號的電壓變換器(PT) U6a-c、128，該模擬或數(shù)字信號相當(dāng)于單相或多相電氣系統(tǒng)中的線間電壓或線與零線間電壓。在所示例子中，電氣系統(tǒng)提供了三相電(通常由A、B和C指代)和一個零線(由N指代)。術(shù)語“測量”和“保護”電流變換器指用于測量或保護應(yīng)用的CT。國際電工委員會(IEC)將這些術(shù)語加以區(qū)分，參見IEC 60044-8，本發(fā)明所涉及領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠理解這種區(qū)別。應(yīng)當(dāng)注意，變換器120、122、124、126、128的輸出可以是模擬或數(shù)字的任意結(jié)合。例如，測量CT 120a可以輸出表示CT 120a的次級繞組上電流的模擬信號，而測量CT 120b可以輸出表示CT 120b的次級繞組上電流的數(shù)字信號。次級繞組上的信號與變換器初級繞組上對應(yīng)的信號成比例。IED 100將電能計量功能和合并單元功能相結(jié)合。合并單元是將輸入信號分組、并將代表那些輸入信號的合并后的數(shù)字取樣經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)傳送至其他IED的單元或電路。重要強調(diào)的是，IED 100可以接收來自變換器的模擬和數(shù)字輸入或僅接收模擬輸入或僅接收數(shù)字輸入。由于數(shù)字CT產(chǎn)生的光學(xué)輸出代表次級繞組上電流的模擬波形，因此數(shù)字電流變換器有時也稱作光學(xué)CT，并形成數(shù)字CT輸出和IED 100輸入的直接點對點數(shù)字耦接(即無需通過網(wǎng)絡(luò))。還需重要強調(diào)的是，IED 100可以同時接收來自于用于測量和保護的CT和 PT的輸入(模擬或數(shù)字或兩者)。
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術(shù)語“單元”可以指電路或軟件功能。不同的單元盡管他們主要的功能不同，但是可以具有重疊的電路或可以共享軟件，不同的單元例如是標(biāo)記單元212和合并單元206。雖然圖2中所示的各個單元物理上彼此有區(qū)分，但實際上他們不需要這樣。例如，無須提供每一個可能想到的例子，數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210從物理上可以合并到微控制器214的電路中，存儲器216也可如此。電能計量單元208可以包括微控制器214或包括用于執(zhí)行計量或電能質(zhì)量計算的單獨的數(shù)字信號處理器。換言之，與物理上不同的結(jié)構(gòu)相反的是，這些單元為功能性結(jié)構(gòu)。對于IED 100僅包括數(shù)字輸入而無模擬輸入的實施方式，無需數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210。優(yōu)選地，IED 100位于變電站開關(guān)站中，以使CT和PT之間的距離最小。使IED 100 物理上接近來自于CT和PT的輸入連接點(例如為幾英尺或者小于約10碼)，這減少了將 CT和PT的輸出連接至IED 100的輸入所需的連接電纜的長度?；蛘?，IED 100可以不在變電站開關(guān)站中，而可以位于控制室104中或位于變電站開關(guān)站中遠離CT和PT的另一位置， 這以增加CT、PT和IED 100之間的電線為代價。對于電氣系統(tǒng)中給定的監(jiān)測點120、122、124、126、128，可以具有一組PT 126,128 和兩組CT(一組保護CT IM和一組測量CT 120,122) O電表和繼電器對電流范圍和精確度有不同的要求。保護繼電器需要廣的測量范圍來覆蓋故障情況，但不要求高等級的精確度， 而電表要求高等級的精確度和較低的測量范圍。IED 100接收模擬和數(shù)字輸入的任意組合， 使所有通道及時關(guān)聯(lián)，并經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)116將整個取樣集合傳送給其他IED 106、108、110、 112。圖2圖示了 IED 100的功能框圖。IED 100包括一組模擬輸入202，它們用于接收由模擬測量CT120、122、模擬保護CT IM和模擬PTU6、U8輸出的對應(yīng)模擬信號。IED還包括一組數(shù)字輸入204，它們用于接收數(shù)字測量CT 120、122、數(shù)字保護CT IM和數(shù)字PT 126、 1 輸出的對應(yīng)數(shù)字信號。因為圖1中所示的任何變換器可以是數(shù)字變換器或模擬變換器， 所以相同的附圖標(biāo)記用來同時指代模擬和數(shù)字變換器。數(shù)字變換器輸出變換器中次級繞組上的電流或相對于另一線路或零線的電壓的數(shù)字表征，其表征形式為以特定采樣率采樣的數(shù)字電流或電壓取樣。模擬變換器輸出代表變換器的次級繞組上的電流或相對于另一線路或零線的電壓的模擬信號。雖然圖2中同時圖示了模擬和數(shù)字輸入202、204，但應(yīng)該理解， 在其他實施方式中，IED 100僅包括模擬輸入或僅包括數(shù)字輸入。IED 100還包括合并單元206、電能計量單元208、可選的數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210(僅當(dāng) IED 100包括模擬輸入202時存在)、可選的標(biāo)記單元212、微控制器214、存儲器216、第一通信接口 216和第二通信接口 220。所有這些部件容納在IED 100的外殼或外罩200內(nèi)。 模擬輸入202、數(shù)字輸入204、第一通信接口 218和第二通信接口 220從外殼200的外部是可以接觸到的。雖然圖示的可選的標(biāo)記單元212位于合并單元206的下游，但在其他實施方式中，這兩個框可以反過來，使標(biāo)記單元212位于合并單元206的上游。在該實施方式中，來自數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210的數(shù)字化取樣和來自數(shù)字輸入204的數(shù)字取樣在合并單元206 中被合并之前，對他們進行標(biāo)記。下面結(jié)合圖3更詳細地討論這種實施方式。應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語“數(shù)字化取樣”用來與“數(shù)字取樣”區(qū)分開。“數(shù)字化取樣”指在模擬輸入202處的模擬信號被數(shù)字化后的取樣，而“數(shù)字取樣”指在數(shù)字輸入204處直接接收的數(shù)字取樣。即使“數(shù)字”取樣已經(jīng)被他們的來源處CT或PT數(shù)字化，但為方便起見，術(shù)語“數(shù)字化取樣”用來指在 IED 100內(nèi)部被數(shù)字化后的模擬信號。
或者，合并單元206可以配置成不從CT或PT接收數(shù)字取樣或數(shù)字化取樣，而是從另一 IED(未圖示)或另一發(fā)布設(shè)備(其中IED 100既是訂閱者又是發(fā)布者)的通信網(wǎng)絡(luò) (未圖示)接收數(shù)字取樣或數(shù)字化取樣。IED 100經(jīng)由傳統(tǒng)通信接口(有線、無線(藍牙， 802. 11)等等)耦接至通信網(wǎng)絡(luò)。可以理解的是，不僅保護電流變換器120、122、1M和電壓變換器126、128，而且其它的外部測量或保護CT和/或PT都可以與IED 100耦接，以補充或驗證來自變電站開關(guān)站102的測量結(jié)果。例如，可以使用測試或臨時的保護和測量CT代替或并聯(lián)于保護電路變換器120、122、1M和電壓變換器126、128，以驗證他們的設(shè)置和輸出信號。數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210根據(jù)一定的采樣率，將來自模擬輸入202的模擬電流或電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字化電流和電壓取樣，所述采樣率可以隨著發(fā)出模擬信號的變換器的類型進行調(diào)節(jié)。如上所述，相對于來自保護CT的模擬信號的采樣率(例如每周期20、48、80 或1 個取樣)，可以以更高的采樣率(例如每周期IOM個取樣)對來自測量CT的模擬信號進行取樣。數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210決定針對來自模擬輸入202的每個到來的模擬信號的合適的采樣率，并且將得到的數(shù)字化模擬或電壓信號傳遞至合并單元206和/或電能計量單元 208。用戶可以選擇哪個(些)通道以經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)116、118傳送。例如，因為IED 100在電能計量單元208中執(zhí)行計量計算，用戶可能不希望傳送來自測量變換器的通道。IED 100 還將來自保護CT的輸入信號與來自測量CT的輸入信號合并，以生成包含計量(測量)和保護兩者需求的數(shù)字取樣的單個流(single stream)。下面將討論其它細節(jié)。電能計量單元208計算包括模擬或數(shù)字輸入202、204中承載的任何電流或電壓取樣的表示值的函數(shù)。由電能計量單元208計算得到的函數(shù)的例子包括電能或能量計算、用于功率和能量積累的均方根(RMS)計算、諧波計算、包括從時域到頻域的傅立葉變換的電能質(zhì)量計算?？梢杂呻娔苡嬃繂卧?08實現(xiàn)任何其他傳統(tǒng)電能計量計算?！半娏骰螂妷喝拥谋碚髦怠钡睦影娏髦?、電壓值或從電流或電壓得出的值，例如功率、能量、基頻或諧波頻率，等等。合并單元208將來自數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210的數(shù)字化電流或電壓取樣與來自數(shù)字輸入 204的數(shù)字電流或電壓取樣合并成合并后的數(shù)字取樣的單個集合。該合并后的數(shù)字取樣可存儲在存儲器216中。合并后的數(shù)字取樣經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)116、118以根據(jù)例如IEC 61850-9標(biāo)準(zhǔn)定義的取樣測量值(SMV)格式表達的格式化后的表征傳送。合并后的數(shù)字取樣經(jīng)由例如由IEC 61850定義的以太網(wǎng)組播方法的發(fā)布-訂閱信息協(xié)議傳送至其他IED 106、108、110、112。圖3是IED 100中功能性部件的框圖。在IED 100的模擬輸入202處接收來自模擬CT和PT 120、122、1對、1沈、1觀的信號。數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210對每個模擬信號執(zhí)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字化取樣(302)。微控制器214將初級時間戳標(biāo)記在每個數(shù)字化取樣或每組取樣上(304)。每個初級時間戳代表由數(shù)字化取樣所代表的模擬信號出現(xiàn)在對應(yīng)模擬變換器120、122、124、126、128的初級側(cè)(即初級繞組)的時間。換言之，初級時間戳是在對應(yīng)電流或電壓變換器的初級繞組處最初接收電流或電壓信號的時間表示。初級時間戳不同于下面討論的次級時間戳。時間戳可以基于全球定位系統(tǒng)(GPS)信號，這保證了 IED 100內(nèi)的板載時鐘精確并與GPS跟蹤時鐘對準(zhǔn)。在IED 100的數(shù)字輸入側(cè)上，在IED 100的數(shù)字輸入204處接收來自數(shù)字CT和PT120、122、124、126、128的數(shù)字取樣(306)。承載數(shù)字取樣的時序的每個通道可以包括表示由數(shù)字取樣所表示的初始模擬信號在數(shù)字CT或PT的初級繞組處被接收的時間的初級時間戳。微控制器214將次級時間戳標(biāo)記在每個數(shù)字取樣或每組數(shù)字取樣上(308)。區(qū)別于初級時間戳的是，次級時間戳指在該組數(shù)字輸入204的對應(yīng)數(shù)字輸入處接收數(shù)字取樣的時間。次級時間戳可以反映數(shù)字取樣傳遞至IED的等待時間，該等待時間是由數(shù)字CT或PT 中的數(shù)字化電路或算法導(dǎo)致的，這給數(shù)字取樣的傳輸相對于其模擬取樣在數(shù)字CT或PT的初級繞組處最初被接受帶來延遲。次級時間戳可以用于診斷目的。來自數(shù)字轉(zhuǎn)換單元210的帶有時間戳的數(shù)字化取樣和來自數(shù)字輸入204的帶有時間戳的數(shù)字取樣供給圖2中所示的標(biāo)記單元212。如上所解釋，標(biāo)記單元212可以位于合并單元206的上游或下游，從而，在將數(shù)字化信號和數(shù)字信號供給合并單元206進行合并之前、或在合并單元206已經(jīng)合并這些信號之后，標(biāo)記單元212對數(shù)字化信號和數(shù)字信號進行標(biāo)記。標(biāo)記單元212將元數(shù)據(jù)(metadata)標(biāo)記施加給每組數(shù)字化或數(shù)字取樣(例如，信號 = V1，對應(yīng)于A相電壓)上。元數(shù)據(jù)標(biāo)記還可以包括與對應(yīng)的數(shù)字化取樣或數(shù)字取樣有關(guān)的初級和/或次級時間戳。元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括隨后的框(例如下游的IED 106-112)可以恰當(dāng)處理的信息。IED 100采集與給定輸入通道的具體取樣集合有關(guān)的識別信息(例如，根據(jù)采樣率，取樣的完整周期值可以是64、1觀或256個連續(xù)取樣)。換言之，IED 100不是對每個取樣逐一進行標(biāo)記，而是等到積累成取樣集合，才對該取樣集合進行標(biāo)記。標(biāo)記中存在的元數(shù)據(jù)字段的范例包括產(chǎn)生取樣的物理變換器的指示，例如Vl PT, Il測量CT，Il保護 CT，等等。元數(shù)據(jù)標(biāo)記還可以包括采樣率，該采樣率表示數(shù)字化取樣或數(shù)字取樣被以數(shù)字方式采樣的速率。數(shù)字取樣的采樣率可以由用戶手動輸入。元數(shù)據(jù)標(biāo)記還可以包括表示與對應(yīng)CT或PT有關(guān)的最大初級電流和最大次級電流的比值的標(biāo)度值。元數(shù)據(jù)標(biāo)記還可以包括一個以上與相應(yīng)的CT或PT的校準(zhǔn)對應(yīng)的校準(zhǔn)值。存儲器216可以儲存電氣系統(tǒng)中的IED 100相對于電氣系統(tǒng)中的所有其他IED 106-112的物理位置的表征，并且元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括電氣系統(tǒng)中IED 100的相對物理位置的表征。一旦元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在每個取樣集合上，合并單元206就將來自給定通道(例如 ID的測量和保護CT的數(shù)字化取樣和數(shù)字取樣合并成表示測量CT的精確度(較低幅值) 和保護CT的范圍(較高幅值)的合并后的數(shù)字取樣的單個集合(由框314表示)(312)。 換言之，合并單元206合并兩個通道，一個通道包含來自保護CT的取樣(高范圍，低精度)， 另一個通道包含來自測量CT的取樣(低范圍，高精度)，從而合并后的數(shù)字取樣的并集，(a) 如果測量CT未飽和(無故障情況存在)，則表示來自測量CT的取樣，或者(b)如果測量CT 飽和(在故障情況期間)，則表示來自保護CT的取樣。合并單元206減少了需要通過網(wǎng)絡(luò) 116傳輸?shù)娜恿鞯臄?shù)量，降低了帶寬，并且消除了以單獨傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送對應(yīng)于測量CT 的數(shù)字取樣和對應(yīng)于保護CT的數(shù)字取樣的需要。由框314表示的合并后的數(shù)字取樣可以在任意特定時刻及時容納不同的取樣集合。例如，當(dāng)測量CT趨于飽和的故障情況下，合并后的數(shù)字取樣中僅包含來自保護CT的取樣，而不包含來自測量CT的取樣。因此，對于同一個取樣流，一個取樣集合可以具有一組元數(shù)據(jù)(例如采樣率)，而另一取樣集合可以具有不同的一組元數(shù)據(jù)。對訂閱中的IED 106-112進行編程，使其能夠接受具有不同元數(shù)據(jù)組的取樣流。不用僅選擇特定通道并入合并后的數(shù)字取樣中，相反，可以將多個通道插入通用格式中，例如具有相同采樣率和具有用相同標(biāo)度表示的取樣幅值，IED 100在內(nèi)插后的信號中進行選擇。合并后的數(shù)字取樣供給電能計量單元208，電能計量單元208可選地將合并后的數(shù)字取樣保存在存儲器216中，以用于例如遠程計算機系統(tǒng)114的前端(head-end)軟件系統(tǒng)的隨后索取(316)。合并后的數(shù)字取樣的存儲可以由檢測出的系統(tǒng)事件或異常情況來觸發(fā)，而不是連續(xù)記錄所有合并后的數(shù)字取樣。電能計量單元208還執(zhí)行如上所述的計量和 /或電能質(zhì)量計算(318)。有兩類主要的計算計量計算和電能質(zhì)量計算。計量計算的例子包括計算RMS功率和能量值。電能質(zhì)量計算的例子包括分析來自于穩(wěn)態(tài)正弦電流信號的變化。電能計量單元208由微控制器214控制，并基于每次一個通道(例如當(dāng)計算RMS值或頻率諧波)或基于多個通道的組合(例如當(dāng)計算功率或能量時)進行計算。這些計算結(jié)果儲存在存儲器216中。利用例如MODBUS 協(xié)議、分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(DNP)、以太網(wǎng)、或?qū)Ｓ型ㄐ艆f(xié)議等通信協(xié)議，對合并后的數(shù)字取樣或來自于電能計量單元208的計算結(jié)果進行格式化以用于傳輸。計算結(jié)果和合并后的數(shù)字取樣經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)118通過受微控制器214控制的第二通信接口 220傳輸至遠程計算機系統(tǒng)114，優(yōu)選利用主從輪詢機制。IED 100經(jīng)由通信網(wǎng)路118 對主機(例如遠程計算機系統(tǒng)114或網(wǎng)關(guān)或另一 IED)發(fā)出的請求作出回應(yīng)。IED 100可以支持多個通信協(xié)議，因此可以利用由IED100支持的多種協(xié)議之一來恰當(dāng)?shù)貙τ嬎憬Y(jié)果和合并后的數(shù)字取樣進行格式化以用于傳輸。IED 100通過第二通信接口 220監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)118中來自一個以上主機的請求，并且對這些請求作出適當(dāng)回應(yīng)。通信網(wǎng)絡(luò)118可以包括多種不同的介質(zhì)，例如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)、普通老式電話業(yè)務(wù)(P0TQ等，上面所述的可以和通信網(wǎng)絡(luò)116為同一網(wǎng)絡(luò)或不同網(wǎng)絡(luò)。合并后的數(shù)字取樣的集合可以根據(jù)默認或自定義的組別進行分組，并作為一組或一個集合一次傳送。該功能可以由位于合并單元206下游和通信接口 218上游的分組單元 (未圖示)執(zhí)行。通過這里所述的“分組”，IED 100可以發(fā)布在輸入202、204處接收的所有信號或那些信號的默認或自定義子集的數(shù)字取樣。默認情況下，IED 100發(fā)布單個分組中的所有信號(324)。于是，合并后的數(shù)字取樣的集合包括對應(yīng)于輸入到IED 100中的所有輸入202、204的取樣?；蛘?，IED 100選擇感興趣的自定義的一組輸入，或用戶可以選擇感興趣的自定義的一組輸入，并且IED 100僅傳送與選定的輸入(或通道)對應(yīng)的數(shù)字或數(shù)字化取樣(326)。例如，如上所述，由于計量計算已經(jīng)由電能計量單元208執(zhí)行，因此沒必要發(fā)布測量CT的數(shù)字取樣。每個分組具有一個以上的相關(guān)參數(shù)以識別該特定的分組，并且該分組內(nèi)的每個信號都標(biāo)記有框310中描述的任意或所有元數(shù)據(jù)。下列的識別信息可以用于區(qū)分不同的分組表示分組名字的參數(shù)、分組中的數(shù)據(jù)成員的數(shù)量、或用于識別存儲在分組中的數(shù)據(jù)類型的描述字段，例如數(shù)據(jù)是否表示來自CT、PT或兩者的信號?？蛇x地，分組中的每個信號可以包括其他計算得到的數(shù)據(jù)。計算得到的數(shù)據(jù)表示基于視窗內(nèi)正被傳輸?shù)娜拥哪承┯嬃坑嬎悖缡敲總€信號的測得的線路頻率或RMS計算。利用基于取樣的通信協(xié)議，例如基于由IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的一種協(xié)議，對默認或自定義的分組進行格式化以用于傳輸(3觀)。利用發(fā)布-訂閱機制，例如利用由IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的組播機制，IED 100通過第一通信接口 218經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)116傳送默認或自定義的分組。這里，發(fā)布者(IED 100)以廣播或組播方式經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)116發(fā)送包含默認或自定義的分組的信息。IED 100(發(fā)布者)使其發(fā)布后的信息(合并后的數(shù)字取樣的分組)成為流，并且沒必要預(yù)先了解接收該分組的訂閱者。例如IED 106-112的訂閱者監(jiān)測和過濾這些信息，從而僅接收那些其需要的信息，而濾掉其余的信息。IED 106-112是訂閱者的例子。由本發(fā)明所能夠推想到的其他訂閱者包括非IED設(shè)備，例如，運行網(wǎng)頁瀏覽器的特定計算機(其從例如IED 100接收RSS輸入)。一旦在框3 或326中創(chuàng)建默認或自定義的分組，特殊控制框(指代如MSVCB的 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)或組播取樣值控制框)就以該分組為參考。該控制框可以包括其他元數(shù)據(jù)， 以將其和例如IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)中使用的那些其他控制框區(qū)分開。這些元數(shù)據(jù)字段可以包括表示控制框的名字或其參考的分組的名字的參數(shù)或包括表示分組的采樣率的參數(shù)。本發(fā)明公開的任何算法包括由(a)處理器、(b)控制器和/或(C)其他合適的處理設(shè)備執(zhí)行的機器可讀指令。容易理解的是，微控制器214包括所述合適的處理設(shè)備。本發(fā)明公開的任何算法可以嵌入存儲于有形介質(zhì)上的軟件中，有形介質(zhì)如閃存、CD-ROM、軟盤、 硬盤驅(qū)動器、數(shù)字多功能磁盤(DVD)或其他存儲設(shè)備，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，整個算法和/或其部分或者可以由控制器之外的和/或以眾所周知的方式嵌入固件或?qū)Ｓ糜布械脑O(shè)備執(zhí)行(例如，其可由專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)、離散邏輯電路等實現(xiàn))。而且，本文描述的任何流程圖中表示的一些或所有機器可讀指令可以手動實施。另外，雖然參考本文中描述的流程圖或功能框圖描述了具體算法，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易想到可以選擇使用很多其他可運行例舉的機器可讀指令的方法。例如，可以改變框執(zhí)行的順序，和/或可以改變、去掉或合并所描述的一些框。IED 100可以實現(xiàn)很多優(yōu)點，這些優(yōu)點中的很多在上面已經(jīng)述及或者建議。這些和其他的優(yōu)點包括降低了電氣系統(tǒng)總成本?，F(xiàn)在僅需要一個設(shè)備，而不是兩個設(shè)備(電能計量單元和單獨的合并單元)。因為僅需要安裝和調(diào)試一個設(shè)備而不是兩個，因此調(diào)試時間也大幅縮短。IED 100使來自CT和PT的模擬和數(shù)字輸出信號自動同步。IED 100提供了對取樣流的短期或長期的本地存儲，以用于隨后從IED中索取，并且確保所有取樣傳送給所有訂閱單元。如果無需傳送計量取樣，IED 100大幅減小了用于取樣傳輸?shù)膸?因為是在 IED 100中執(zhí)行計量計算)。僅僅需要傳輸計算的結(jié)果，這使用的帶寬遠小于相關(guān)取樣使用的帶寬。IED 100通過將計量和保護信號合并成單組合并后的數(shù)字取樣以用于傳輸，也減少了用于傳輸取樣的帶寬。例如，IED 100可以將來自計量CT的Il和來自保護CT的Il合并成合并后的數(shù)字取樣的單個集合。IED 100將傳統(tǒng)的功率計延伸到可以接受數(shù)字取樣流 (已經(jīng)由初始CT/PT數(shù)字化后的取樣)作為輸入，在計量計算中使用那些數(shù)字取樣，并且根據(jù)例如由IEC 61850 SMV標(biāo)準(zhǔn)定義的其他協(xié)議重新格式化和合并那些取樣。IED 100可以容易地容納同時用于測量和保護的變換器。雖然圖示并說明了本發(fā)明的具體實施例和應(yīng)用，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于此處公開的精確構(gòu)造和組成，并且在不脫離由所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，顯然可從前面的描述中作出各種變化、修改和變更。
1權(quán)利要求
1.一種智能電子設(shè)備(IED)，其包括外殼；在所述外殼處接收的多個輸入，其用于接收來自相應(yīng)的第一電流變換器或電壓變換器的電流或電壓信號的表征；布置在所述外殼內(nèi)的電能計量單元，所述電能計量單元用于計算包括所述電流或電壓信號中任一個的表征的函數(shù)；布置在所述外殼內(nèi)的合并單元，所述合并單元設(shè)置用于將所述電流或電壓信號的數(shù)字表征合并成合并后的數(shù)字取樣的單個集合；布置在所述外殼內(nèi)的存儲器，所述存儲器用于存儲所述合并后的數(shù)字取樣的單個集合；和耦接至所述存儲器的微控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述多個輸入包括多個模擬輸入，并且，至少一些所述第一電流變換器或電壓變換器是模擬變換器，每個所述模擬變換器輸出由至少一些所述變換器各自所檢測到的模擬電流或電壓的模擬表征，所述設(shè)備還包括布置在所述外殼內(nèi)的數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，所述數(shù)字轉(zhuǎn)換單元將來自所述模擬輸入的所述模擬電流或電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字化電流或電壓取樣。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述多個輸入包括多個數(shù)字輸入，并且，所述電流或電壓信號的表征是表示所述電流或電壓信號的數(shù)字取樣，其中至少一些所述第一電流變換器或電壓變換器是數(shù)字變換器，每個所述數(shù)字變換器輸出由至少一些所述變換器各自所檢測到的模擬電流或電壓的數(shù)字表征。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一電流變換器或電壓變換器包括保護電流變換器。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一電流變換器或電壓變換器包括測量電流變換器。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一電流變換器或電壓變換器包括保護電流變換器和測量電流變換器。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在至少一些所述電流或電壓信號的數(shù)字表征上的標(biāo)記單元。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述第一電流或電壓變換器包括保護電流變換器和測量電流變換器，所述合并單元設(shè)置成將與所述保護變換器有關(guān)的電流或電壓信號的數(shù)字表征和與所述測量變換器有關(guān)的電流或電壓信號的數(shù)字表征合并為所述合并后的數(shù)字取樣的集合。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括用于所述多個輸入中的每個輸入以及發(fā)出每個所述電流或電壓信號的物理變換器的指示。
10.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括采樣率，每個所述采樣率表示以數(shù)字方式對所述電流或電壓信號的各個數(shù)字表征進行采樣的速率。
11.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括與至少一些所述第一變換器各自有關(guān)的最大初級電流和次級電流之比值對應(yīng)的標(biāo)度值。
12.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括與至少一些所述第一變換器各自的校準(zhǔn)對應(yīng)的校準(zhǔn)值。
13.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述存儲器可以存儲電氣系統(tǒng)中的所述IED相對于所述電氣系統(tǒng)中的所有其他IED的物理位置的表征，其中所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括所述物理位置的表征。
14.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于將所述合并后的數(shù)字取樣的單個集合的格式化后的表征經(jīng)由第一通信網(wǎng)絡(luò)傳送至訂閱設(shè)備的第一通信接口。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述格式化后的表征根據(jù)取樣測量值(SMV)格式來表達。
16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述第一通信接口通過發(fā)布-訂閱信息協(xié)議發(fā)送所述合并后的數(shù)字取樣的單個集合的所述格式化后的表征。
17.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述發(fā)布-訂閱信息協(xié)議由國際電工委員會 (IEC) 61850-9 標(biāo)準(zhǔn)定義。
18.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述訂閱設(shè)備為繼電器、控制器、遠程終端單元 (RTU)或功率計。
19.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，由所述電能計量單元計算得到的所述函數(shù)生成計量數(shù)據(jù)，所述設(shè)備還包括用于將所述計量數(shù)據(jù)的格式化后的表征經(jīng)由第二通信網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程計算機系統(tǒng)的第二通信接口。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，所述遠程計算機系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)。
21.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，所述計量數(shù)據(jù)的所述格式化后的表征根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議經(jīng)由所述第二通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。
22.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，由所述電能計量單元計算得到的所述函數(shù)生成計量數(shù)據(jù)，所述設(shè)備還包括用于將所述計量數(shù)據(jù)的格式化后的表征經(jīng)由所述第一通信網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程計算機系統(tǒng)的第二通信接口。
23.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，通過對所述微控制器進行編程，以將初級時間戳施加在所述數(shù)字化電流或電壓取樣上，每個所述初級時間戳表示每個所述數(shù)字化取樣在各個所述第一變換器的初級側(cè)上出現(xiàn)的特定時間。
24.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在至少一些所述數(shù)字化電流或電壓取樣上的標(biāo)記單元，每個所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括與各個所述數(shù)字化取樣有關(guān)的各個所述初級時間戳。
25.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述多個數(shù)字輸入設(shè)置成接收每個所述數(shù)字取樣的對應(yīng)初級時間戳，每個所述初級時間戳表示每個所述數(shù)字取樣在各個所述第一變換器的初級側(cè)出現(xiàn)的特定時間，其中通過對所述微控制器進行編程，以將次級時間戳施加在至少一些所述數(shù)字取樣上，每個所述次級時間戳表示每個所述數(shù)字取樣在各個所述數(shù)字輸入處被接收的特定時間。
26.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，還包括將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在所述數(shù)字電流或電壓取樣上的標(biāo)記單元，每個所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括與各個所述數(shù)字取樣有關(guān)的各個所述初級時間戳和次級時間戳。
27.如權(quán)利要求沈所述的設(shè)備，其中，通過對所述微控制器進行編程，以將初級時間戳施加在所述數(shù)字化電流或電壓取樣上，每個所述初級時間戳表示每個所述數(shù)字化取樣在各個所述第一變換器的初級側(cè)出現(xiàn)的特定時間，其中每個所述元數(shù)據(jù)標(biāo)記還包括與各個所述數(shù)字化取樣有關(guān)的各個初級時間戳。
全文摘要
一種智能電子設(shè)備(IED)，集成了電能計量單元(PMU)和使來自模擬變換器和數(shù)字變換器的信號合并成合并后的數(shù)字取樣的集合的合并單元。在IED的模擬輸入處接收來自模擬CT/PT的模擬電流/電壓信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字取樣。在IED的數(shù)字輸入處通過點對點連接接收來自數(shù)字CT/PT的數(shù)字電流/電壓取樣。標(biāo)記單元將元數(shù)據(jù)標(biāo)記施加在數(shù)字化和數(shù)字取樣上。該元數(shù)據(jù)標(biāo)記包括提供輸入信號的變換器、采樣率、初級時間戳和/或次級時間戳、標(biāo)度值、校準(zhǔn)值和/或IED在電氣系統(tǒng)中的位置。PMU對取樣執(zhí)行計量和/或電能質(zhì)量的計算，并且計算結(jié)果被格式化并且通過主-從協(xié)議傳送至發(fā)出請求的主機上。分組單元將合并后的取樣分成默認或自定義的分組，經(jīng)格式化并通過發(fā)布/訂閱機制經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳送。
文檔編號G01R19/25GK102308225SQ200980156420
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者大衛(wèi)·T·塔克基, 貝斯姆·埃爾沃里 申請人:施耐德電氣美國股份有限公司