Настоящее изобретение относится к вычислительной системе для расчета электрической энергии переменного тока, текущего в, по меньшей мере, одном вторичном электрическом проводнике, электрически подключенном к первичному электрическому проводнику, причем первичный проводник и каждый вторичный проводник имеют, по существу, одно и то же переменное напряжение, и переменный ток, имеет, по меньшей мере, одну фазу.
Эта система расчета включает в себя:
- первое устройство, содержащее радиопередатчик, измерительный элемент для измерения напряжения первичного проводника, первое средство выборки для получения выборки значения измеренного напряжения, средство передачи сообщений для передачи, после периода передачи первого сообщения, причем период передачи соответствует кратному числу периодов напряжения, причем период напряжения является равным обратной частоте переменного напряжения, и средство определения напряжения для определения набора из, по меньшей мере, одного переменного репрезентативного значения измеренного напряжения, причем упомянутый массив данных определяется на основании значения напряжения, измеренного в течение данного периода передачи, причем первое сообщение содержит упомянутый массив данных;
- по меньшей мере, одно второе устройство, содержащее датчик силы тока для определения силы тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, второе средство выборки для получения выборки значения измеренной силы тока; и
- по меньшей мере, один вычислительный элемент для расчета электрической энергии для каждой фазы упомянутого тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, причем вычислительный элемент подключен к, по меньшей мере, одному соответствующему второму устройству и включает в себя радиоприемник и средство приема сообщений для приема первого сообщения, причем каждый вычислительный элемент выполнен с возможностью расчета значения для электрической энергии в течение данного периода передачи на основании упомянутого массива данных, содержащегося в первом сообщении, и выборок силы тока, связанных с данным периодом передачи.
Настоящее изобретение также относится к электрошкафу, включающему в себя панель, содержащую выходные электрические проводники, и такой вычислительной системе.
Настоящее изобретение также относится к трансформаторной подстанции для преобразования электрического тока, имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второе переменное напряжение, причем эта трансформаторная подстанция включает в себя такой электрошкаф, входную панель, включающую в себя, по меньшей мере, один входной электрический проводник, выполненный с возможностью подключения к электрической сети, причем входной электрический проводник имеет первое переменное напряжение, причем панель электрошкафа образует выходную панель, в которой соответствующие выходные проводники имеют второе переменное напряжение. Трансформаторная подстанция дополнительно включает в себя электрический трансформатор, подключенный между входной панелью и выходной панелью, причем трансформатор выполнен с возможностью преобразования тока, имеющего первое переменное напряжение, в ток, имеющий второе переменное напряжение.
Настоящее изобретение также относится к способу расчета электрической энергии с использованием такой вычислительной системы.
Вычислительная система вышеупомянутого типа уже известна из документа WO А1 2013/017663. Вычислительная система включает в себя первое устройство, именуемое первичным модулем, содержащее радиопередатчик, измерительный элемент для измерения напряжения первичного проводника, средство выборки для получения выборки значения измеренного напряжения, и средство передачи сообщений для передачи первого сообщения. Период передачи первого сообщения равен одной секунде и соответствует 50 периодам напряжения, причем период напряжения является величиной, обратной частоте переменного напряжения, которая равна 20 мс. Вычислительная система также включает в себя множество вторых устройств, именуемых вторичными модулями, каждое из которых содержит амперметр для определения силы тока для тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, средство выборки для получения выборки значения измеренной силы тока, и вычислительный элемент для расчета электрической энергии для каждой фазы упомянутого тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике.
Для расчета электрической энергии, вычислительный элемент рассчитывает, в каждом периоде напряжения, иными словами с интервалами времени 20 мс, активную мощность на основании значений измеренных сил тока и значений напряжения, принятых в первом сообщении. Активная энергия рассчитывается путем приращения для каждой фазы, положительного счетчика энергии, когда рассчитанная активная мощность положительна, и приращения отрицательного счетчика энергии, когда рассчитанная активная мощность отрицательна. Электрическая энергия рассчитывается для данного периода передачи и на основании набора переменных репрезентативных значений измеренных напряжений. Этот массив данных определяется для периода напряжения, выбранного из множества периодов напряжения, происходящих в течение данного периода передачи, для ограничения объема данных, передаваемых посредством радиоволн между элементами системы для расчета электрической энергии.
Однако расчет электрической энергии посредством такой вычислительной системы не является оптимальным.
Задачей изобретения является обеспечение более точной вычислительной системы.
Для этого, изобретения предусматривает вычислительную систему вышеупомянутого типа, в которой средство определения измеренного напряжения выполнено с возможностью определения упомянутого массива данных также на основании поправочного коэффициента, связанного с данным периодом передачи, причем поправочный коэффициент зависит, для каждой фазы, от репрезентативного значения напряжения только для каждого соответствующего периода напряжения, где упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения, причем репрезентативное значение напряжения, предпочтительно, является значением модуля основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье.
Вычислительная система согласно изобретению позволяет более точно рассчитывать электрическую энергию, причем поправочный коэффициент используется для учета, для расчета энергии, причем репрезентативное значение, представляет напряжение в течение нескольких периодов напряжения, начиная с момента времени, когда упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения. Кроме того, посредством радиоволн передается такой же объем данных, как с помощью вычислительной системы, относящейся к уровню техники.
С помощью вычислительной системы, известной в уровне техники, энергия рассчитывается через упомянутое репрезентативное значение напряжения, для единственного периода напряжения, выбранного из множества периодов напряжения, происходящих в течение данного периода передачи, и поэтому энергия рассчитывается менее точно, чем с помощью вычислительной системы согласно изобретению.
Согласно другим преимущественным аспектам изобретения, вычислительная система включает в себя один или более из следующих характерных признаков, рассматриваемых по отдельности или в соответствии с любыми технически возможными комбинациями:
- поправочный коэффициент удовлетворяет, для каждой фазы, следующему уравнению:
где i - индекс соответствующей фазы,
k - индекс периода напряжения, причем k заключен между 1 и K, K равно количеству периодов напряжения, происходящих в течение периода передачи,
k0 - индекс периода напряжения, выбранного из множества периодов напряжения,
kmax - количество периодов напряжения, для которых значение модуля основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье больше заранее определенного порогового значения ε в течение данного периода передачи, и
и 
соответственно, представляют модуль основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье для фазы, имеющей индекс i, и периода напряжения, имеющего индекс k, и, соответственно, выбранного периода напряжения, имеющего индекс k0;
- упомянутый набор из, по меньшей мере, одного репрезентативного переменного значения имеет множество действительных и мнимых коэффициентов разложения измеренного напряжения в ряд Фурье, причем количество строк разложения в ряд Фурье, предпочтительно, больше или равно 5, более предпочтительно, равно 17;
- электрическая энергия удовлетворяет, для каждой фазы, нижеследующим уравнениям:
и 
где i - индекс соответствующей фазы,
j - строка разложения в ряд Фурье, причем j заключено между 1 и J, причем J равно количеству строк упомянутого разложения, причем основная частотная составляющая соответствует строке 1,
k - индекс соответствующего периода напряжения, причем k заключено между 1 и K, K равно количеству периодов напряжения, происходящих в течение периода передачи, и
Pi, j, k представляет активную мощность для фазы, имеющей индекс i, действительных и мнимых коэффициентов строки j и периода напряжения, имеющего индекс k;
- средство определения измеренного напряжения, кроме того, выполнено с возможностью определения, для каждой фазы, углового отклонения на основании отношения для, по меньшей мере, одного периода напряжения, причем отношение равно мнимому коэффициенту основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье, в течение упомянутого периода напряжения, деленному на действительный коэффициент упомянутой основной частотной составляющей напряжения, и вычислительный элемент выполнен с возможностью расчета значения электрической энергии также на основании углового отклонения,
- угловое отклонение определяется, для каждой фазы, согласно нижеследующим уравнениям:
и αi, k=ϕi(k+1)-ϕi(k) ∀k∈[1;K-1]
то есть 
где 
где i - индекс соответствующей фазы,
k - индекс периода напряжения, причем k заключен между 1 и K, K равно количеству периодов напряжения, происходящих в течение периода передачи, и
Ui, 1, k представляет основную частотную составляющую напряжения для фазы, имеющей индекс i, и периода напряжения, имеющего индекс k.
- первые действительные и мнимые коэффициенты разложения в ряд Фурье измеренного напряжения рассчитываются согласно нижеследующим уравнениям, для каждого периода напряжения, имеющего индекс, заключенный между 3 и K, причем выбранный период напряжения, имеет индекс, равный 2:
ReUi, j, k=cos(j×αi)×ReUi, j, k-1-sin(j×αi)×ImUi, j, k-1
ImUi, j, k=cos(j×αi)×ImUi, j, k-1+sin(j×αi)×ReUi, j, k-1
и первые действительные и мнимые коэффициенты разложения в ряд Фурье измеренного напряжения рассчитываются согласно нижеследующим уравнениям, для периода напряжения, имеющего индекс, равный 1:
ReUi, j, 1=cos(-j×αi)×ReUi, j, 2-sin(-j×αi)×ImUi, j, 2
ImUi, j, 1=cos(-j×αi)×ImUi, j, 2+sin(-j×αi)×ReUi, j, 2
Изобретение также относится к электрошкафу, содержащему:
- панель, включающую в себя, по меньшей мере, один первичный выходной электрический проводник и, по меньшей мере, один вторичный выходной электрический проводник, причем каждый вторичный выходной проводник электрически подключен к соответствующему первичному выходному проводнику, причем ток, текущий в соответствующих выходных проводниках, имеет переменное напряжение, и
- вычислительную систему для расчета электрической энергии тока, текущего в каждом вторичном выходном проводнике,
причем вычислительная система определена выше.
Изобретение также относится к трансформаторной подстанции для преобразования электрического тока, имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второе переменное напряжение, включающей в себя определенный выше электрошкаф, входную панель, включающую в себя, по меньшей мере, один входной электрический проводник, выполненный с возможностью подключения к электрической сети, причем входной электрический проводник имеет первое переменное напряжение, причем панель электрошкафа образует выходную панель, в которой соответствующие выходные проводники имеют второе переменное напряжение, и электрический трансформатор, подключенный между входной панелью и выходной панелью, причем трансформатор выполнен с возможностью преобразования тока, имеющего первое переменное напряжение, в ток, имеющий второе переменное напряжение.
Изобретение также относится к способу расчета электрической энергии тока, текущего в, по меньшей мере, одном вторичном электрическом проводнике, причем вторичный проводник электрически подключен к первичному электрическому проводнику, причем первичный проводник и каждый вторичный проводник имеют, по существу, одно и то же переменное напряжение, и переменный ток, имеет, по меньшей мере, одну фазу,
причем способ включает в себя этапы, на которых:
- (а) измеряют, с помощью первого устройства, напряжение тока, текущего в первичном проводнике, получают выборку значения измеренного напряжения, определяют набор из, по меньшей мере, одного переменного репрезентативного значения измеренного напряжения, причем упомянутый массив данных определяется на основании значения напряжения, измеренного в течение данного периода передачи, причем первое сообщение содержит упомянутый массив данных, и передают, после периода передачи первого сообщения, период передачи, соответствующий кратному числу периодов напряжения, причем период напряжения является величиной, обратной частоте переменного напряжения,
- (b) измеряют, с помощью второго устройства, силу тока для тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, и получают выборку значения измеренной силы тока, и
- (с) расчитывают, с помощью, по меньшей мере, одного вычислительного элемента, электрическую энергию для каждой фазы упомянутого тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, причем вычислительный элемент подключен к, по меньшей мере, одному соответствующему второму устройству и включает в себя радиоприемник и средство приема сообщений для приема первого сообщения, причем расчет электрической энергии осуществляют на основании упомянутого массива данных, содержащегося в первом сообщении, и выборок силы тока, связанных с данным периодом передачи,
причем, на этапе (а), упомянутый массив данных определяется также на основании поправочного коэффициента, связанного с данным периодом передачи, причем поправочный коэффициент зависит, для каждой фазы, от репрезентативного значения напряжение только для каждого соответствующего периода напряжения, где упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения, причем репрезентативное значение напряжения, предпочтительно, является значением модуля основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье.
Эти признаки и преимущества изобретения явствуют из нижеследующего описания, приведенного исключительно в порядке неограничительного примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:
- Фиг. 1 - схематическое представление трансформаторной подстанции, включающей в себя первую панель, вторую панель, подключенную к первой панели посредством трансформатора, и вычислительную систему для расчета электрической энергии тока, текущего в выходных проводниках второй панели,
- Фиг. 2 - схематическое представление вычислительной системы, показанной на Фиг. 1, причем вычислительная система содержит первое измерительное устройство для измерения напряжения, множество вторых измерительных устройств для измерения силы тока и устройство централизации,
- Фиг. 3 - схематическое представление второго устройства, показанного на Фиг. 2,
- Фиг. 4 - логическая схема этапов способа расчета согласно изобретению, осуществляемого первым устройством, показанным на Фиг. 2,
- Фиг. 5 - логическая схема этапов того же способа расчета, осуществляемого вторыми устройствами, показанными на Фиг. 2 и 3,
- Фиг. 6 - логическая схема этапов того же способа расчета, осуществляемый устройством централизации, показанным на Фиг. 2,
- Фиг. 7 - временная схема, демонстрирующая моменты времени передачи и приема первого сообщения, причем последнее передается первым устройством на вторые устройства, и
- Фиг. 8 - временная схема, представляющая периоды времени, для которых определяются коэффициенты разложения в ряд Фурье напряжения и сила тока, соответственно, и также моменты времени, соответственно, подготовки первого сообщения, передачи первого сообщения и расчета электрической энергии.
В нижеследующем описании, термин "по существу, равный…" задает отношение эквивалентности в диапазоне плюс/минус 5%.
На Фиг. 1, трансформаторная подстанция 10, подключенная к электрической сети 12 включает в себя первую панель 14, также известную как входная панель, вторую панель 16, также известную как выходная панель, электрический трансформатор 18, подключенный между первой панелью и второй панелью 20, и измерительную систему для измерения электрической энергии тока.
Альтернативно, электрошкаф, не показан, включает в себя вторую панель 16 и измерительную систему 20. Другими словами, электрошкаф включает в себя элементы трансформаторной подстанции 10 за исключением электрического трансформатора 18 и первой панели 14, причем вторая панель 16, например, непосредственно запитана низким напряжением.
Трансформаторная подстанция 10 выполнена с возможностью преобразования электрического тока, поступающего из сети 12 и имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второе переменное напряжение.
Электрическая сеть 12 является сетью переменного тока, например, трехфазной сетью. Электрическая сеть 12 является, например, сетью среднего напряжения, иными словами, имеющей напряжение более 1000 В и менее 50000 В. Таким образом, первое трехфазное напряжение является средним напряжением. Альтернативно, электрическая сеть 12 является сетью высокого напряжения, иными словами, имеющей напряжение более 50000 В.
Первая панель 14 включает в себя множество входов 22, причем каждый вход 22 содержит один первый 24А, 24В, один второй 26А, 26В и один третий 28А, 28В входные проводники. Каждый первый, второй, третий входной проводник 24А, 24В, 26А, 26В, 28А, 28В подключен к электрической сети посредством соответствующего 32 входного выключателя. Трехфазный ток, текущий в соответствующих входных проводниках 24А, 24В, 26А, 26В, 28А, 28В имеет первое фазное напряжение.
Вторая панель 16 включает в себя один первый 34, один второй 36, один третий 38 и один четвертый первичные проводники 39 и множество N выходов 40A, 40В, …40N, иными словами, один первый выход 40А, один второй выход 40В, …, один N-й выход 40N, причем каждый выход 40А, 40В, …, 40N выполнен с возможностью подачи трехфазного напряжения.
Каждый выход 40А, 40В, 40N является низковольтным выходом, иными словами, с напряжением менее 1000 В. Таким образом, второе трехфазное напряжение является низким напряжением. Альтернативно, каждый выход 40А, 40В, …, 40N является средневольным выходом, иными словами, с напряжением выше 1000 В и менее 50000 В.
Первый выход 40А имеет один первый 42А, один второй 44А, один третий 46А и один четвертый 48А вторичные проводники и три выходных выключателя 50. Первый, второй и третий вторичные проводники 42А, 42В, 42С подключены, соответственно, к первому, второму и третьему первичным проводникам 34, 36, 38 посредством соответствующего выходного выключателя 50. Четвертый вторичный проводник 48А подключен непосредственно к четвертому первичному проводнику 39.
Первичные выходные проводники 34, 36, 38 и соответствующие вторичные выходные проводники 42А, 44А, 46А имеют, по существу, одинаковое напряжение, то есть, соответственно, первое напряжение U1, второе напряжение U2 и третье напряжение U3, соответствующие трем фазам второго трехфазного напряжения.
Другие выходы 40В, …40N идентичны первому выходу 40A, описанному выше, и включают в себя такие же элементы, причем в обозначениях элементов буква А каждый раз заменяется соответствующей буквой В, …, N.
Электрический трансформатор 18 выполнен с возможностью преобразования электрического тока, поступающего из электрической сети, имеющей первое переменное напряжение, в ток, подаваемый на вторую панель 16 и имеющий второе переменное напряжение. Электрический трансформатор 18 включает в себя первичную обмотку 52, подключенную к первой панели 14, и вторичную обмотку 54, подключенную ко второй панели 16.
Вычислительная система 20 выполнена с возможностью расчета электрической энергии тока, текущего в каждом вторичном выходном проводнике 42А, 44А, 46А, 42В, 44В, 46В, …, 42N, 44N, 46N.
Вычислительная система 20, показанная на Фиг. 2, содержит первое устройство 60, множество N вторых устройств 62А, 62В, …, 62N и устройство 64 централизации.
Первое устройство 60 включает в себя измерительный элемент 66 для измерения напряжения тока, текущего в соответствующем первичном проводнике 34, 36, 38, и блок 68 обработки данных для обработки данных. Первое устройство 60 также включает в себя приемопередатчик 70, радиоантенну 72 и элемент 74 энергоснабжения для подачи питания на измерительное устройство, блок обработки данных и приемопередатчик.
Второе устройство, обозначенное 62А, содержит, для каждого из первого 42А, второго 44А и третьего 46А, вторичных проводников, амперметр 76А для определения силы тока для тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике 42А, 44А, 46А. Второе устройство 62А содержит блок 78А обработки данных, приемопередатчик 80А и радиоантенну 82А. Второе устройство 62А также содержит элемент 84А энергоснабжения для подачи питания на блок обработки данных и приемопередатчик. Второе устройство 62А идентифицируется уникальным числом, также известным как идентификатор.
Другие вторые устройства 62В, …, 62N идентичны вышеописанному второму устройству 62А и включают в себя такие же элементы, причем в обозначениях элементов буква А каждый раз заменяется соответствующей буквой В, …, N. Каждое из других вторых устройств 62В, …, 62N также имеет уникальный идентификатор.
Устройство 64 централизации содержит блок 86 обработки данных для обработки данных, базу данных 88 и человеко-машинный интерфейс 90. Устройство 64 централизации содержит приемопередатчик 92, радиоантенну 94 и элемент 96 энергоснабжения для подачи питания на блок обработки данных, базу данных, человеко-машинный интерфейс и приемопередатчик.
Измерительный элемент 66 выполнен с возможностью измерения первого напряжения U1 фазы, текущей через первый первичный проводник 34, второго напряжения U2 фазы, текущей через второй первичный проводник 36, и третьего напряжения U3 фазы, текущей через третий первичный проводник 38. Измерительный элемент 66 также выполнен с возможностью измерения частоты F трехфазного напряжения, текущего через первичные проводники 34, 36, 38.
Блок 68 обработки данных включает в себя процессор 98 и запоминающее устройство 100, выполненное с возможностью хранения прикладной программы 102 для измерения напряжений U1, U2, U3 с помощью измерительного элемента 66 и первой прикладной программы 103 для получения выборки, с заранее определенным периодом Psampl выборки, значения измеренного напряжения U1, U2, U3. Выборки измеренного напряжения U1, U2, U3 соответственно обозначены как U1k, m, U2k, m, U3k, m, где k - индекс окна выборки заранее определенной длительности, связанной с выборкой, и m - индекс выборки, заключенный между 1 и Nsampl, где Nsampl - целое число, представляющее количество выборок напряжения в окне выборки. Окно выборки, например, выбирается равным периоду Pvoltage напряжения, иными словами, равным величине, обратной частоте F напряжения, измеренной измерительным элементом 66.
Запоминающее устройство 100 выполнено с возможностью хранения первой прикладной программы 104 для определения множества коэффициентов преобразования выборок U1k, m, U2k, m, U3k, m каждого измеренного напряжения, вплоть до строки J, значение которой больше или равно 1, предпочтительно, больший или равно 5, еще более предпочтительно, равно 17. По определению, строка, равная 1, соответствует основной частотной составляющей преобразования.
Запоминающее устройство 100 выполнено с возможностью хранения прикладной программы 105 передачи сообщений для передачи первого сообщения M1 на каждое второе устройство 62А, …, 62N и на устройство 64 централизации. Моменты времени передачи двух последовательных сообщений M1 разделены периодом Ptransmission передачи. Каждый период Ptransmission передачи, предпочтительно, имеет заранее определенное значение, например, равное одной секунде.
Каждый период Ptransmission передачи соответствует кратному числу периодов Pvoltage напряжения, причем период Pvoltage напряжения равен обратной величине частоты F переменного напряжения U1, U2, U3. Выражение "кратное число" предпочтительно понимать в смысле "целое число, имеющее значение, большее или равное 2", и в этом случае период Ptransmission передачи соответствует целому кратному периода Pvoltage напряжения.
Альтернативно, кратное число является действительным числом, значение которого строго больше 1. Согласно этому варианту осуществления, при осуществлении сглаживания значения выборок измеренной силы тока будет учитываться это нецелое кратное число.
Запоминающее устройство 100 выполнено с возможностью хранения второй прикладной программы 106 для определения набора из, по меньшей мере, одного переменного репрезентативного значения измеренного напряжения U1, U2, U3, причем упомянутый массив данных определяется на основании значения напряжения, измеренного в течение данного периода Ptransmission передачи.
В нижеследующем описании, каждый период напряжения также обозначается с использованием индекса k, при условии, что окно выборки, предпочтительно, равно периоду напряжения.
Согласно первому варианту осуществления, набор репрезентативных переменных значений, связанных с измеренным напряжением, определяется также на основании поправочного коэффициента σi, связанного с данным периодом Ptransmission передачи. Поправочный коэффициент σi, для каждой фазы, имеющей индекс i, зависит от репрезентативного значения напряжения Ui только для каждого соответствующего периода Pvoltage напряжения, где упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения ε.
Запоминающее устройство 100 выполнено с возможностью хранения прикладной программы 108 распределения для распределения единичного жетона на вторые устройства 62А, …, 62N последовательным образом.
Преобразование является, например, преобразованием Фурье, и первая прикладная программа 104 определения выполнена с возможностью расчета действительного коэффициента ReUi, j, k, и мнимого коэффициента ImUi, j, k разложения в ряд Фурье выборок Uik, m каждого измеренного напряжения Ui, где i - индекс соответствующей фазы, например, равный 1, 2 и 3, соответственно, j - строка разложения в ряд Фурье, где j заключено между 1 и J, причем J равно количеству строк упомянутого разложения, k - индекс соответствующего периода Pvoltage напряжения, причем k заключен между 1 и K, K равно количеству периодов Pvoltage напряжения в течение периода Ptransmission передачи. В иллюстративном варианте осуществления, период Ptransmission передачи равен одной секунде, и период Pvoltage напряжения равен 20 мс, таким образом, что K равен 50.
Альтернативно, преобразование является преобразованием Лапласа.
Первое сообщение M1 содержит, в частности, набор репрезентативных переменных значений, определенных второй прикладной программой 106 определения.
Первое сообщение M1 также содержит идентификатор второго устройства, которое будет имеет право передавать свое второе сообщение на устройство 64 централизации после приема первого сообщения M1. Идентификатор второго устройства, имеющего право передавать свои данные, связанные с измерением, определяется посредством прикладной программы распределения жетона для распределения уникального жетона 108, идентификатор устройства, содержащийся в первом сообщении M1, позволяет указывать второе устройство, которому можно назначить уникальный жетон.
Приемопередатчик 70 согласуется с протоколом связи ZigBee на основе стандарта IEEE 802.15.4. Альтернативно, приемопередатчик 70 согласуется со стандартом IEEE 802.15.1 или стандартом IEEE-802.15.2, или даже со стандартом IEEE 802-11, или с любым другим собственным протоколом радиосвязи.
Радиоантенна 72 выполнена с возможностью передачи радиосигналов на антенны 82А, …, 82N вторых устройств и на антенну 94 устройства централизации, и также способна принимать радиосигналы с упомянутых антенн 82А, …, 82N, 94. Другими словами, первое устройство 60 подключено к каждому из вторых устройств 62А, …, 62N и к устройству 64 централизации посредством соответствующего радиосоединения.
Элемент 74 энергоснабжения выполнен с возможностью подачи электрической мощности на измерительный элемент 66, блок 68 обработки данных и приемопередатчик 70 из трехфазного напряжения, текущего через первичные проводники 34, 36, 38.
Каждый амперметр 76А второго устройства 62А выполнен с возможностью измерения соответствующей силы тока из первой силы I1A тока, текущего в первом вторичном выходном проводнике 42А, второй силы I2A тока, текущего во втором вторичном выходном проводнике 44А, и третьей силы I3A тока, текущего в третьем вторичном выходном проводнике 46А.
Каждый амперметр 76А, также именуемый датчиком тока, содержит первую тороидальную катушку 110А, размещенную вокруг соответствующего вторичного выходного проводника 42А, 44А, 46А, и первую обмотку 112А, размещенную вокруг первой тороидальной катушки, как показано на Фиг. 3. Протекание тока через соответствующий вторичный выходной проводник дает возможность генерировать индукционный ток, пропорциональный силе тока для тока в первой обмотке 112А. Первая тороидальная катушка 110А является тороидальной катушкой Роговского. Первая тороидальная катушка 110А предпочтительно, имеет разрезной тороидальный сердечник для облегчения ее размещения вокруг соответствующих проводников.
Блок 78А обработки данных, показанный на Фиг. 2, включает в себя процессор 114А данных и запоминающее устройство 116А, связанное с процессором данных и выполненное с возможностью хранения прикладной программы 118А измерения для измерения измеренных значений соответствующих сил тока и второй прикладной программы 119А для получения выборки, с заранее определенным периодом Psampl выборки, значения измеренных первой, второй и третий сил I1A, I2A, I3A тока, и прикладной программы 120A обмена сообщениями для приема первого сообщения M1.
Выборки измеренных первой, второй и третий сил I1A, I2A, I3A тока соответственно обозначены как I1Ak, m, I2Ak, m, I3Ak, m, где k - индекс окна выборки заранее определенной длительности, связанного с выборкой, и m - индекс выборки, заключенный между 1 и Nsampl, где Nsampl - целое число, представляющее количество выборок напряжения в окне выборки. Окно выборки, например, выбирается равным периоду Pvoltage напряжения, иными словами, равным величине, обратной частоте F напряжения, причем это значение частоты содержится в каждом принятом первом сообщении M1.
Запоминающее устройство 116А выполнено с возможностью хранения третьей прикладной программы 121А для определения множества коэффициентов преобразования выборок I1Ak, m, I2Ak, m, I3Ak, m вплоть до строки J. Преобразование является, например, преобразованием Фурье, и третья прикладная программа 121А определения коэффициента выполнена с возможностью расчета действительного коэффициента ReIiA, j, k и мнимого коэффициента ImIiA, j, k разложения в ряд Фурье выборок IiAk, m каждой измеренной силы IiA тока, где i - индекс соответствующей фазы, j - строка разложения в ряд Фурье, где j заключено между 1 и J, k - индекс соответствующего периода Pvoltage напряжения, причем k заключен между 1 и K.
Альтернативно, преобразование является преобразованием Лапласа.
Запоминающее устройство 116А выполнено с возможностью хранения прикладной программы 122А синхронизации для синхронизации выборки измеренный сил I1A, I2A, I3A тока относительно выборки измеренного напряжения U1, U2, U3. По определению, период напряжения, имеющий индекс k, равный 1, соответствует временному периоду, в течение которого первое сообщение M1 передается первым устройством 60 и, соответственно принимается каждым вторым устройством 62А, …, 62N, и период напряжения, имеющий индекс k, равный 2, соответствует периоду, в начале которого осуществляется синхронизация выборок напряжения и сил тока.
Запоминающее устройство 116А выполнено с возможностью хранения вычислительной прикладной программы 123А для расчета электрической энергии тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике 42А, 44А, 46А, например, активной энергии Ei.
Дополнительно, запоминающее устройство 116А выполнено с возможностью хранения прикладной программы передачи сообщений 128А для передачи второго сообщения М2А на устройство 64 централизации.
Второе сообщение М2А содержит идентификатор второго устройства 62А, значения активной энергии E1, Е2, Е3 для всех трех фаз трехфазного напряжения, рассчитанные расчетной прикладной программой 123А.
Кроме того, второе сообщение М2А содержит комплексные коэффициенты ReIiA, j, k, ImIiA, j, k разложения в ряд Фурье трех токов I1A, I2A, I3A.
Приемопередатчик 80A относится к тому же типу, что и приемопередатчик 70.
Радиоантенна 82А, того же типа, что и радиоантенна 72, выполнена с возможностью приема радиосигналов от антенны 72 первого устройства и антенны 94 устройства централизации и также передачи радиосигналов на антенны 72, 94.
Элемент 84А энергоснабжения, показанный на Фиг. 3, выполнен с возможностью подачи питания на блок 78А обработки данных и приемопередатчик 80A. Элемент 84А энергоснабжения содержит, для каждого из первого 42А, второго 44А и третьего 46А вторичных проводников, вторую тороидальную катушку 130А, размещенную вокруг соответствующего вторичного проводника 42А, 44А, 46А, и вторую обмотку 132А, размещенную вокруг второй тороидальной катушки. Протекание тока через соответствующий вторичный проводник 42А, 44А, 46А дает возможность генерировать индукционный ток во второй обмотке 132А.
Элемент 84А энергоснабжения включает в себя преобразователь 134А, подключенный к каждой из вторых обмоток 132А и выполненный с возможностью подачи заранее определенного напряжения на блок 78А обработки данных и на приемопередатчик 80A. Каждая вторая тороидальная катушка 130А является тороидальной катушкой, выполненной из железа. Каждая вторая тороидальная катушка 130А предпочтительно, имеет разрезной тороидальный сердечник для облегчения ее размещения вокруг соответствующих проводников.
Другими словами, второе устройство 62А обеспечивается автономным пинанием посредством элемента 84А энергоснабжения, имеющего вторые тороидальные катушки 130А, выполненные с возможностью извлечения магнитной энергии обусловленной протеканием тока в соответствующих вторичных проводниках 42А, 44А, 46А.
Элементы других вторых устройств 62В, …, 62N идентичны элементам первого второго устройства 62А, описанного выше, и включают в себя те же самые подэлементы, причем в обозначениях подэлементов буква А каждый раз заменяется соответствующей буквой В, …, N.
Блок 86 обработки данных устройства централизации, показанный на Фиг. 2, включает в себя процессор 136 данных и запоминающее устройство 138, связанное с процессором и выполненное с возможностью хранения прикладной программы 140 обмена сообщениями для приема первого и второго сообщений M1, М2А, …, M2N, прикладной программы 142 записи данных для записи в базу данных 88 элементов данных, содержащихся в принятых сообщениях M1, М2А, …, M2N. Запоминающее устройство 138 выполнено с возможностью хранения прикладной программы 144 обработки данных для обработки упомянутых принятых элементов данных, прикладной программы 146 отображения для отображения данных и прикладной программы 148 передачи данных для передачи данных на удаленный сервер, не показан.
Человеко-машинный интерфейс 90 включает в себя экран дисплея и клавиатуру для ввода данных, не показана.
Приемопередатчик 92 относится к тому же типу, что и приемопередатчики 70, 80A, …, 80N.
Радиоантенна 94, того же типа, что и радиоантенны 72, 82А, …, 82N, выполнена с возможностью приема радиосигналов, поступающих от антенн 72 первого устройства и от антенн 82А, …, 82N вторых устройств и также передачи радиосигналов на упомянутые антенны 72, 82А, …, 82N.
Работа вычислительной системы 20 будет объяснена ниже с помощью Фиг. 4, 5 и 6, представляющих логические схемы этапов способа расчета, осуществляемого, соответственно, первым устройством 60, вторыми устройствами 62А, …, 62N и устройством 64 централизации.
Как показано на Фиг. 4, на первом этапе 200, первое устройство 60 инициализируется и измеряет частоту F трехфазного напряжения, текущего через первичные проводники 34, 36, 38 посредством прикладной программы 102 измерения. Частота F трехфазного напряжения равна, например, 50 Гц.
Затем, на этапе 210, первое устройство 60 измеряет первое, второе и третье напряжения U1, U2, U3 с помощью измерительного элемента 66 и прикладной программы 102 измерения.
Затем первая прикладная программа 103 выборки получает выборки измеренных значений напряжений U1, U2, U3. Частота выборки измеренного напряжения, равная обратной величине периода Psampl выборки, кратна частоте F упомянутого трехфазного напряжения, измеренного ранее на этапе 200. Период Pvoltage трехфазного напряжения равен периоду сети, который составляет около 20 мс в Европе и около 16.66 мс в США. Период Pvoltage напряжения соответствует кратному числу периода Psampl выборки.
На этапе 210, для оптимизации точность измерения энергии, период Pvoltage напряжения измеряется регулярно, например, каждые 10 секунд, для учета его изменений в течение времени.
На этапе 220, первое устройство 60 сжимает измеренные значения напряжений U1, U2, U3 путем определения действительного коэффициента ReUi, j, k и мнимый коэффициент ImUi, j, k разложения в ряд Фурье выборок Uik, m каждого измеренного напряжения U1, U2, U3 с использованием своего первого программного обеспечения 104 определения коэффициента. Это обеспечивает возможность ограничения объема данных, передаваемых по линиям радиосвязи между первым устройством 60 и вторыми устройствами 62А, …, 62N.
Коэффициенты ReUi, j, k, ImUi, j, k разложения в ряд Фурье получаются, например, посредством операций корреляции на выборках измеренных значений. В частности, действительный коэффициент основной частотной составляющей, обозначенный как ReUi, 1, k, является корреляцией, по длительности, равной периоду Pvoltage трехфазного напряжения, между выборками Uik, m сигнала напряжения Ui и косинусом частоты, равной частоте F трехфазного напряжения, где Ui представляет напряжение фазы, где i равно 1, 2 или 3. Мнимый коэффициент основной частотной составляющей, обозначенный как ImUi, 1, k, является корреляцией по длительности, равной периоду Pvoltage между выборками Uik, m сигнала напряжения Ui и синусом частоты, равной частоте F.
Действительный коэффициент гармоники строки j, обозначенный как ReUi, j, k, где j заключено между 2 и J, является корреляцией, по длительности, равной периоду Pvoltage, между выборками Uik, m сигнала напряжения Ui и косинусом частоты, в j раз превышающей частоту F. Мнимый коэффициент гармоники строки j, обозначенный как ImUi, j, k, является корреляцией, по длительности, равной периоду Pvoltage, между выборками Uik, m сигнала напряжения Ui и синусом частоты, в j раз превышающей частоту F.
Другими словами, коэффициенты ReUi, j, k и ImUi, j, k удовлетворяют нижеследующим уравнениям, где j заключено между 1 и J:
где Т представляет период выборки, также обозначенный как Psampl.
Альтернативно, коэффициенты ReUi, j, k и ImUi, j, k получаются посредством быстрого преобразования Фурье, также известного под аббревиатурой FFT.
Первая прикладная программа 104 определения, таким образом, рассчитывает комплексные коэффициенты ReUi, j, k и ImUi, j, k разложения в ряд Фурье трех напряжений U1, U2, U3 для основной частотной составляющей и гармоник от 2 до J.
Затем вторая прикладная программа 106 определения определяет на этапе 220 набор репрезентативных переменных значений, причем последний, согласно первому варианту осуществления, определяется на основании поправочного коэффициента σi, связанного с данным периодом Ptransmission передачи. Поправочный коэффициент σi зависит от репрезентативного значения напряжения Ui для каждого соответствующего периода напряжения Pvoltage, где упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения ε.
Заранее определенное пороговое значение ε составляет, например, от 0,005 до 0,10 от номинального значения Un напряжения, предпочтительно, от 0,01 до 0,05 от номинального значения Un напряжения, более предпочтительно, составляет 0.02 от номинального значения Un напряжения.
Упомянутое репрезентативное значение напряжения, предпочтительно, является значением модуля основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье, причем модуль основной частотной составляющей обозначается как 
Поправочный коэффициент σi удовлетворяет, например, для каждой фазы, имеющей индекс i, следующим уравнением:
где k - индекс периода Pvoltage напряжения, где k заключено между 1 и K, K равно количеству периодов Pvoltage напряжения в течение периода Ptransmission передачи,
k0 - индекс периода напряжения, выбранного из множества периодов Pvoltage напряжения. Значение индекса k0, предпочтительно, равно 2, поскольку это первый период, расположенный сразу после синхронизации, и, таким образом, является периодом, в течение которого расхождения часов оказывает наименьшее влияние на точность расчетов.
kmax - количество периодов напряжения, для которых модуль основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье больше заранее определенного порогового значения ε в течение данного периода Ptransmission передачи, и
и 
соответственно, представляют модуль основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье для фазы, имеющей индекс i, и периода напряжения, имеющего индекс k, и, соответственно, выбранного периода напряжения, имеющего индекс k0.
Поправочный коэффициент σi дает возможность учесть вклад измеренных значений напряжения для всех периодов Pvoltage напряжения в течение данного периода Ptransmission передачи с момента превышения порогового значения ε, и не только для выбранного периода напряжения, имеющего индекс k0.
Поправочный коэффициент σi, например, применяется к комплексным коэффициентам ReUi, j, k0 и ImUi, j, k0, где j принимает значения от 1 до J для выбранного периода напряжения, имеющего индекс k0.
Набор репрезентативных переменных значений, связанных с измеренным напряжением включает в себя измененные комплексные коэффициенты, обозначенные как ReUi, j и ImUi, j полученные с использованием нижеследующих уравнений:
Набор репрезентативных переменных значений предпочтительно состоит из упомянутых измененных комплексных коэффициентов ReUi, j и ImUi, j.
Поле данных первого сообщения M1 содержит, в частности, измененные комплексные коэффициенты ReUi, j и ImUi, j, где j принимает значение от 1 до D, образуя набор определенных репрезентативных переменных значений.
Наконец, на этапе 230, первое устройство 60 передает, посредством своей прикладной программы 105 передачи сообщений, первое сообщение M1 на каждое из вторых устройств 62А, …, 62N а также на устройство 64 централизации.
Первое устройство 60 также запускает, на этом этапе 230, обратный отсчет первого таймера, равный опорной длительности Df, начиная с начального времени передачи первого сообщения M1, также именуемого верхней точкой передачи Те первого сообщения M1. Когда этот первый таймер заканчивает отсчет, первое устройство 60 начинает выборку измеренных значений трех напряжений U1, U2, U3, иными словами, в начальное время Tm выборки, равное начальному времени Те передачи плюс опорная длительность Df. Выборка, вторым устройством 62А, измеренных значений трех сил I1A, I2A, I3A тока также будет начинаться в это начальное время Tm выборки, что будет более подробно описано ниже в отношении этапа синхронизации 320.
Опорная длительность Df имеет заранее определенное значение, например, по существу, равное 6 мс. Значение опорной длительности Df известно как первому устройству 60, так и второму устройству 62А, и выбирается превышающим период времени, необходимый для передачи и приема первого сообщения M1. В примере описанного варианта осуществления, значение опорной длительности Df сохраняется, до начального этапа 200, в памяти 100 первого устройства и в памяти 116А второго устройства 62А.
Первое сообщение M1 включает в себя поле заголовка, также именуемое преамбулой, поле SFD (аббревиатура для начала разделителя кадров), поле PHR (аббревиатура для физического заголовка), поле данных и поле CRC (аббревиатура для циклического контроля по избыточности). Преамбула имеет размер 4 байта, каждое из полей SFD и PHR имеет размер один байт, поле данных имеет переменный размер, обозначенный n байтами, и поле CRC имеет размер 2 байта. В примере варианта осуществления, показанном на Фиг. 7, первое сообщение M1 состоит из поля заголовка, поля SFD, поля PHR, поля данных и поля CRC.
Поле данных первого сообщения M1 содержит, в частности, набор репрезентативных переменных, ранее определенных на этапе 220, и идентификатор второго устройства, которое будет имеет право передавать свое второе сообщение на устройство 64 централизации после приема первого сообщения M1. Идентификатор второго устройства, имеющего право передавать свою информацию, связанную с измерением, определяется посредством прикладной программы 108 распределения уникального жетона, причем идентификатор устройства, содержащийся в первом сообщении M1, позволяет указывать второе устройство, которому можно назначить уникальный жетон.
После передачи первого сообщения M1, первое устройство 60 возвращается к этапу 210 для повторного измерения напряжения U1, U2, U3 фаз трехфазного напряжения, текущего через первичные проводники 34, 36, 38.
Этапы, показанные на Фиг. 5, способа расчета, осуществляемого вторыми устройствами 62А, …, 62N, будут описано ниже для второго устройства, обозначенного 62А.
На этапе 300, второе устройство 62А инициализируется и открывает скользящее окно для приема первого сообщения M1 посредством своей прикладной программы 120А обмена сообщениями. Окно приема это окно длительностью в несколько десятков миллисекунд, которое второе устройство 62А заставляет скользить по времени.
Приняв первое сообщение M1, второе устройство 62А обнаруживает момент времени Tr приема поля SFD, причем получение поля SFD приводит к инициированию прерывания радиоприемником второго устройства 62А, как представлено на Фиг. 7.
Затем второе устройство 62А переходит к этапу 320 временной синхронизации с первым устройством 60. Обнаружение времени Tr приема позволяет рассчитывать, с использованием прикладной программы 122А синхронизации, момент времени Tm начала выборки измеренных значений трех сил I1A, I2A, I3A тока. Начальное время Tm выборки фактически равно времени Tr приема плюс длительность Dm синхронизации, причем длительность Dm синхронизации равна опорной длительности Df минут одна длительность Dr радиопередачи, как показано на Фиг. 7. Длительность Dr радиопередачи это значение, зависящее от приемопередатчика 70 и приемопередатчика 80A. Длительность Dr радиопередачи соответствует периоду времени между начальным временем Те передачи и временем Tr приема.
Длительность Dr радиопередачи, например, по существу, равна 0.6 мс и известна второму устройству 62А. В примере описанного варианта осуществления, значение длительности Dr радиопередачи сохраняется, до этапа 300, в памяти 116А второго устройства 62А.
Затем второе устройство 62А запускает, начиная со времени Tr приема и посредством прикладной программы 122А синхронизации, обратный отсчет второго таймера, равный длительности Dm синхронизации, причем значение длительности Dm синхронизации рассчитывается вычитанием значения длительности Dr радиопередачи из значения опорной длительности Df, причем значение длительности Dr радиопередачи и значение опорной длительности Df сохраняются в запоминающем устройстве 116А, как описано выше.
Первое устройство 60 также будет запускать на этапе 230 обратный отсчет первого таймера, равный опорной длительности Df, в результате чего, первое устройство 60 и второе устройство 62А будут одновременно начинать выборку значений измеренного напряжения и значений измеренной силы тока, соответственно, по истечении первого и второго таймеров, запущенных на этапах 230 и 320, иными словами, в начальное время Tm выборки.
По определению, период напряжения, соответствующий передаче первого сообщения M1, является периодом, имеющим индекс k, равный 1. Когда первое сообщение M1 также принимается в течение периода напряжения, имеющего индекс k, равный 1, начальное время выборки после синхронизации соответствует началу периода напряжения, имеющего индекс k, равный 2.
Период Pvoltage напряжения повторно рассчитывается, с помощью второй прикладной программы 119А выборки, после каждого момента приема первого сообщения M1 с использованием значения частоты F напряжения, содержащегося в первом сообщении M1.
На этапе 320, программное обеспечение 122А синхронизация инициализирует, в момент приема первого сообщения M1, счетчик, увеличивающий вплоть до значения, соответствующего период передачи первого сообщения Ptransmission. Второе устройство 62А автоматически возвращается к этапу 310 приема примерно за одну миллисекунду до предполагаемого приема последующего первого сообщения M1.
Если первое сообщение M1 не обнаружено вторым устройством 62А, окно приема закрывается, и никакой синхронизации не осуществляется. Затем счетчик увеличивается для новой попытки синхронизации, возможно, при последующем сообщении M1.
Затем второе устройство 62А измеряет на этапе 330 и посредством амперметров 76А и своего программного обеспечения 118А измерения, каждую из первый, второй и третий сил I1A, I2A, I3A тока.
Затем второе программное обеспечение 119А выборки осуществляет выборку измеренных значений трех сил I1A, I2A, I3A тока, причем начальное время Tm выборки рассчитано на предыдущем этапе 320, чтобы гарантировать синхронизацию по времени амперметра 76А с измерительным элементом 66 для измерения напряжения.
Затем третья прикладная программа 121А определения сжимает измеренные значения сил I1A, I2A, I3A тока на этапе 340. Третья прикладная программа 121А определения рассчитывает, например, действительный коэффициент ReIiA, j, k и мнимый коэффициент ImIiA, j, k, разложения в ряд Фурье выборок IiAk, m каждой измеренной силы I1A, I2A, I3A тока трех фаз аналогично расчету, описанному для этапа 220, комплексных коэффициентов ReUi, j, k, ImUi, j, k разложения напряжений в ряд Фурье.
Действительный коэффициент основной частотной составляющей, также обозначенный как ReIiA, 1, k, таким образом, является корреляцией, по длительности, равной периоду Pvoltage трехфазного напряжения, между выборками сигнала силы IiA тока и косинусом частоты, равной частоте F трехфазного напряжения, где IiA представляет силу тока фазы номер i, где i равно 1, 2 или 3. Мнимый коэффициент основной частотной составляющей, также обозначенный как ImIiA, 1, k, является корреляцией по длительности, равной периоду Pvoltage, между выборками сигнала силы IiA тока и синусом частоты, равной частоте F.
Действительный коэффициент гармоники j, обозначенный как ReIiA, j, k, где j заключено между 2 и J, является корреляцией по длительности, равной периоду Pvoltage, между выборками сигнала силы IiA тока и косинусом частоты, в j раз превышающей частоту F. Мнимый коэффициент гармоники j, обозначенный как ImIiA, j, k, где j заключено между 2 и J, является корреляцией, по длительности, равной периоду Pvoltage, между выборками сигнала силы IiA тока и синусом частоты, в j раз превышающей частоту F.
Коэффициенты ReIiA, j, k и ImIiA, j, k удовлетворяют нижеследующим уравнениям:
Затем вычислительная прикладная программа 123А периодически рассчитывает активную энергию E1, Е2, Е3 для каждой из трех фаз на основании набора определенных значений репрезентативных переменных, ранее принятых от первого устройства 60 посредством первого сообщения M1, и значений сил I1A, I2A, I3A тока, измеренных амперметрами 76А. Период для расчета активных энергий E1, Е2, Е3 равен периоду передачи первого сообщения Ptransmission, который равен, например, 1 секунде.
Для расчета активных энергий E1, Е2, Е3, вычислительное программное обеспечение 123А рассчитывает, для периода Pvoltage, имеющего индекс k, равный k0, активная мощность Pi, j, k0 для каждого номера i фазы, где i равно 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, с использованием следующего уравнения:
Расчетное программное обеспечение 123А также определяет для периода Pvoltage, имеющего индекс k, равный k0, реактивную мощность Qi, j, k0 для каждого номера i фазы, где i равно 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, с использованием следующего уравнения:
Расчетная прикладная программа 123А также определяет сдвиг фазы ϕi, j, k0, также обозначенный как ϕj, i, между гармоникой напряжения и гармоникой тока для периода Pvoltage, имеющего индекс k, равный k0, предпочтительно равный 2, для каждого номера i фазы, где i равен 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, с использованием следующего уравнения:
Затем расчетная прикладная программа 123А определяет эффективное напряжение Ui, jeff для каждого номера i фазы, где i равен 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, с использованием следующего уравнения:
Это значение эффективного напряжения является значением, соответствующим всем периодам Pvoltage напряжения с момента времени превышения порогового значения ε для данного периода Ptransmission передачи.
Затем расчетное программное обеспечение 123А определяет эффективный ток Ii, j, keff для каждого периода Pvoltage, имеющего индекс k, заключенный между 1 и K, для каждого номера i фазы, где i равно 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, с использованием следующего уравнения:
Наконец, активная энергия Ei каждого номера i фазы рассчитывается согласно нижеследующим уравнениям:
Расчет активных энергий E1, Е2, Е3 осуществляется в любое время в течение периода Ptransmission передачи между двумя моментами приема сообщения M1, причем информация, необходимая для расчета, содержится в ранее принятом первом сообщении M1, в отношении информации, связанной с напряжением, или в памяти 116А второго устройства 62А, при условии, что рассматриваемые значения, связанные с напряжением или силами тока, соответствуют предыдущему периоду Ptransmission передачи. В примере, показанном на Фиг. 8, расчет активных энергий E1, Е2, Е3 осуществляется, по существу, в середине периода передачи.
Затем второе устройство 62А генерирует, на этапе 350, свое второе сообщение М2А. Второе сообщение М2А содержит идентификатор второго устройства 62А, значения активных энергий E1, Е2, Е3 для всех трех фаз трехфазного напряжения и комплексные коэффициенты ReIiA, j, k и ImIiA, j, k разложения в ряд Фурье трех токов I1A, I2A, I3A вплоть до гармоники J.
Кроме того, второе сообщение М2А содержит среднеквадратические значения, также обозначенные как RMS, токов I1A, I2A, I3A трех фаз, а также члены Pi, j, k0 и Qi, j, k0 для всех трех фаз.
Исходя из того, что идентификатор второго устройства 62А содержится в ранее принятом первом сообщении M1, второе устройство 62А передает на этапе 360 свое второе сообщение М2А с использованием своего программного обеспечения 128А передачи. В противном случае, второе устройство 62А возвращается непосредственно к этапу 310 приема первого сообщения M1 и передает свое второе сообщение М2А, причем первое сообщение M1 содержит идентификатор, указывающий, что ему назначен уникальный жетон, дающий ему право передавать свое второе сообщение М2А.
После этапа 360 передачи сообщений в случае, когда жетон назначен второму устройству 62А, или действительно в противном случае после этапа 350, второе устройство 62А возвращается к этапу 310 приема, если счетчик достигает значения, соответствующего периоду Ptransmission передачи, или действительно в противном случае этапу 330 измерения.
Этапы способа расчета, осуществляемого другими вторыми устройствами 62В, …, 62N идентичны этапам 300 и 360, описанным выше для второго устройства, обозначенного 62А, и, кроме того, осуществляются одновременно для всех вторых устройств 62А, …, 62N вследствие временной синхронизации, осуществляемой с использованием первого сообщения M1.
На этапе передачи 360, единственным втором устройством из всех вторых устройств 62А, …, 62N, которое имеет право передавать свое второе сообщение, является второе устройство, чей идентификатор содержится в первом сообщении M1, принятом на предыдущем этапе 310 приема. Прикладная программа 108 распределения определяет, в порядке возрастания, идентификаторы, содержащиеся в первом сообщении M1 для последовательного назначения уникального жетона вторым устройствам 62А, …, 62N. Другими словами, каждое второе устройство 62А, …, 62N передает каждые N секунд свое соответствующее второе сообщение М2А, …, M2N.
Как показано на Фиг. 6, на этапе 400, устройство 64 централизации принимает, с использованием своей прикладной программы 140 приема, первое сообщение M1 от первого устройства 60 и второе сообщение от второго устройства, имеющего право передавать в соответствии с механизмом распределенных жетонов, например, сообщение М2А.
На этапе 410, устройство 64 централизации затем заносит в свою базу данных 88 значения, принятые и содержащиеся в первом сообщении M1 и во втором сообщении М2А, посредством своего программного обеспечения 142 записи данных. Кроме того, программное обеспечение 144 обработки данных осуществляет снабжение записанных данных метками времени.
Затем значения переменных, измеренные и рассчитанные вычислительной системой, отображаются на экране человеко-машинного интерфейса 90 устройства централизации с помощью программного обеспечения 146 отображения на этапе 430. Эти значения переменных отображаются в форме численных значений и/или кривых.
Наконец устройство 64 централизации передает, на этапе 440, посредством прикладной программы 148 передачи эти измеренные и рассчитанные значения переменных на удаленный сервер, не показан. Удаленный сервер выполнен с возможностью осуществления централизованного управления измеренными и рассчитанными значениями переменных для каждой вычислительной системы 20.
По завершении этапа 440, устройство 64 централизации возвращается к этапу 400 для приема последующего первого сообщения M1 от первого устройства и второго сообщения от второго устройства, имеющего право передавать в следующий раз, в соответствии с механизмом распределенных жетонов, например, сообщение М2А.
Таким образом, вычислительная система 20 согласно изобретению позволяет рассчитывать активные энергии E1, Е2, Е3 непосредственно в течение данного периода Ptransmission передачи и на основании набора переменных репрезентативных значений измеренного напряжения. Вычислительная система 20 также позволяет, посредством определения поправочного коэффициента σi, учитывать вклад значений измеренного напряжения для всех периодов Pvoltage напряжения в течение данного периода Ptransmission передачи, начиная с момента времени превышения порогового значения ε, не только вклад значений напряжения, измеренного для выбранного периода напряжения, имеющего индекс k0.
Таким образом, вычислительная система 20 согласно изобретению точнее, чем вычислительная система, отвечающая уровню техники.
Вычислительная система 20 согласно изобретению также позволяет получать очень точное измерение активных энергий Е1, Е2, Е3 для трех фаз трехфазного тока, вследствие временной синхронизации каждого датчика тока 76А с измерительным элементом 66 для измерения напряжения.
Временная синхронизация очень точна, причем измеренное нарушение синхронизации составляет порядка плюс/минус 400 наносекунд при современной технологии приемопередатчиков 70, 80А, …, 80N, 92 и блоков 68, 78А, …, 78N, 86 обработки данных.
Все устройства 60, 62А, …, 62N, 64 соединены между собой линиями радиосвязи посредством их соответствующего приемопередатчика 70, 82А, …, 82N, 92, что позволяет облегчить установку вычислительной системы 20 в трансформаторной подстанции 10.
Сжатие данных, связанных с напряжениями и силами тока, измеренными посредством прикладной программы 104, 124А, …, 124N определения, и передача, посредством первого сообщения M1, набора репрезентативных переменных значений, связанных с измеренным напряжением, вместо коэффициентов, связанных с напряжением, для всех периодов напряжения в течение данного периода передачи, позволяет ограничивать объем данных, передаваемых по линиям радиосвязи, и, таким образом, ограничивать энергопотребление самой вычислительной системы 20. Кроме того, это позволяет снижать чувствительность вычислительной системы 20 к радиовозмущению типа помехи или нарушению электромагнитной совместимости, также именуемому ЕМС-возмущением.
Вычислительная система 20 согласно второму варианту осуществления изобретения будет описана ниже. Согласно этому второму варианту осуществления, элементы, идентичные первому варианту осуществления, описанному выше, обозначены идентичными ссылочными позициями и не будут описаны повторно.
Согласно этому второму варианту осуществления, второе программное обеспечение 106 определения также выполнено с возможностью определения, для каждой фазы, углового отклонения αi на основании отношения для, по меньшей мере, одного периода Pvoltage напряжения, причем отношение равно мнимому коэффициенту основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье в течение упомянутого периода Pvoltage напряжения деленному на действительный коэффициент упомянутой основной частотной составляющей напряжения.
Это угловое отклонение αi позволяет учитывать возможное изменение значения периода Pvoltage напряжения таким образом, что окна выборки будут немного смещаться относительно точного значения периода Pvoltage напряжения.
Вычислительное программное обеспечение 123А выполнено с возможностью расчета активных энергий Ei также на основании углового отклонения αi.
Угловое отклонение αi удовлетворяет, например, для каждой фазы, имеющей индекс i, нижеследующим уравнениям:
то есть 
где 
где i - индекс соответствующей фазы,
k - индекс периода Pvoltage напряжения, причем k заключен между 1 и K, K равно количеству периодов Pvoltage напряжения, происходящих в течение периода Ptransmission передачи, и
Ui, 1, k представляет основную частотную составляющую напряжения для фазы, имеющей индекс i, и периода напряжения, имеющего индекс k.
Согласно второму варианту осуществления, расчетная прикладная программа 123А затем рассчитывает действительные и мнимые коэффициенты разложения напряжения в ряд Фурье, и затем активные мощности, следующим образом и на основании индекса k периода Pvoltage напряжения.
Согласно второму варианту осуществления, выбранный период Pvoltage напряжения является периодом, имеющим индекс равный 2, и значение индекса k0 также равно 2.
Для периода Pvoltage, имеющего индекс k=2, действительные и мнимые коэффициенты равны измененным комплексным коэффициентам ReUi, j и ImUi, j, содержащимся в принятом первом сообщении M1, и удовлетворяют нижеследующим уравнениям:
Активная мощность Pi, j, 2 для каждого номера i фазы, где i равно 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, затем рассчитывается согласно следующему уравнению:
Для периода Pvoltage, имеющего индекс k, заключенный между 3 и K, действительные и мнимые коэффициенты удовлетворяют нижеследующим уравнениям:
Активная мощность Pi, j, k с индексом k, заключенным между 3 и K, и для каждого номера i фазы, где i равно 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, рассчитывается согласно следующему уравнению:
Наконец, для периода напряжения, имеющего индекс k, равный 1, действительные и мнимые коэффициенты удовлетворяют нижеследующим уравнениям:
Аналогичным образом, активная мощность Pi, j, 1 для периода напряжения, имеющего индекс k, равный 1, для каждого номера i фазы, где i равен 1, 2 или 3, и для каждой строки j, заключенной между 1 и J, рассчитывается согласно следующему уравнению:
Затем расчетное программное обеспечение 123А рассчитывает активная энергия Ei каждого номера i фазы согласно вышеприведенным уравнениям (13) и (14).
Другие этапы способа расчета согласно второму варианту осуществления идентичны описанным выше для первого варианта осуществления и не будут описаны повторно.
Преимущества этого второго варианта осуществления включают в себя, в частности, преимущества первого варианта осуществления, и эти последние не будут описаны повторно.
Вычислительная система 20 согласно этому второму варианту осуществления также позволяет, посредством определения углового отклонения αi, компенсировать любое возможное изменение значения периода Pvoltage напряжения, которое приводило бы к смещению окон выборки относительно точного значения периода Pvoltage напряжения.
Таким образом, вычислительная система 20 согласно изобретению точнее.
В вышеописанном втором варианте осуществления, для периода Pvoltage, имеющего индекс k=2, действительные и мнимые коэффициенты выбираются равными измененным комплексным коэффициентам ReUi, j и ImUi, j, содержащимся в принятом первом сообщении M1. Другими словами, вышеописанный второй вариант осуществления предусматривает как определение поправочного коэффициента σi, так и определение углового отклонения αi.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что, согласно варианту осуществления, определение углового отклонения αi можно реализовать независимо от определения поправочного коэффициента σi. Когда применимо, для периода Pvoltage, имеющего индекс k=2, действительные и мнимые коэффициенты выбираются равными комплексным коэффициентам ReUi, j, k0 и ImUi, j, k0, содержащимся в принятом первом сообщении M1, где индекс k0 равен 2.
В разнообразных примерах вариантов осуществления, каждое второе устройство 62А, …, 62N включает в себя расчетный элемент, например, в форме расчетной прикладной программы 123А, …, 123N. Альтернативно, расчетная прикладная программа 123А выполнена с возможностью хранения в устройстве, отличном от второго устройства 62А, например, в устройстве 64 централизации. Расчет активных энергий E1, Е2, Е3 осуществляемый на основании данных и информации, связанных с напряжениями и силами тока, содержащимися в разных сообщениях, принятых устройством 64 централизации, отправленных первым устройством 60 и каждым вторым устройством 62А, …, 62N, иными словами, первом сообщении M1 и, соответственно, вторых сообщениях М2А, …, M2N.
Согласно другому варианту осуществления, не показан, первое устройство 60 и устройство 64 централизации объединены друг с другом в одно общее устройство, что позволяет иметь один единственный приемопередатчик для упомянутого общего устройства вместо двух приемопередатчиков 70, 92, необходимых для первого устройства и для централизации.
Это подтверждает тот факт, что вычислительная система 20 согласно изобретению является более точной, чем вычислительная система, отвечающая уровню техники.
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении точности вычислительной системы и достигается за счет того, что система содержит первое устройство, содержащее элемент для измерения напряжения первичного проводника, средство для получения выборки измеренного напряжения, средство для передачи первого сообщения и средство для определения набора переменных репрезентативных значений напряжения, на основании напряжения, измеренного в течение данного периода передачи; по меньшей мере, одно второе устройство, имеющее датчик тока для определения силы тока во вторичном проводнике, подключенном к первичному проводнику, средство для получения выборки измеренной силы тока; и элемент для расчета упомянутой энергии, включающий в себя средство для приема первого сообщения и выполненный с возможностью расчета энергии в течение данного периода передачи на основании упомянутого массива данных и выборок силы тока, связанных с данным периодом передачи. Средство определения выполнено с возможностью определения упомянутого массива данных на основании поправочного коэффициента, который зависит от репрезентативного значения напряжения только для каждого периода напряжения, в течение которого упомянутое значение превышает порог. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Вычислительная система для расчета электрической энергии переменного тока, текущего в, по меньшей мере, одном вторичном электрическом проводнике, причем вторичный проводник электрически подключен к первичному электрическому проводнику, причем первичный проводник и каждый вторичный проводник имеют, по существу, одно и то же переменное напряжение, и переменный ток имеет, по меньшей мере, одну фазу,
эта вычислительная система включает в себя:
- первое устройство, содержащее радиопередатчик, измерительный элемент для измерения напряжения первичного проводника, первое средство выборки для получения выборки значения измеренного напряжения, средство передачи сообщений для передачи, после периода передачи первого сообщения, причем период передачи соответствует кратному числу периодов напряжения, причем период напряжения является равным обратной частоте переменного напряжения, и средство определения напряжения для определения набора из, по меньшей мере, одного переменного репрезентативного значения измеренного напряжения, причем упомянутый массив данных определяется на основании значения напряжения, измеренного в течение данного периода передачи, причем первое сообщение содержит упомянутый массив данных;
- по меньшей мере, одно второе устройство, содержащее датчик силы тока для определения силы тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, второе средство выборки для получения выборки значения измеренной силы тока; и
- по меньшей мере, один вычислительный элемент для расчета электрической энергии для каждой фазы упомянутого тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, причем вычислительный элемент подключен к, по меньшей мере, одному соответствующему второму устройству и включает в себя радиоприемник и средство приема сообщений для приема первого сообщения, причем каждый вычислительный элемент выполнен с возможностью расчета значения для электрической энергии в течение данного периода передачи на основании упомянутого массива данных, содержащегося в первом сообщении, и выборок силы тока, связанных с данным периодом передачи,
отличающаяся тем, что средство определения напряжения выполнено с возможностью определения упомянутого массива данных также на основании поправочного коэффициента, связанного с данным периодом передачи, причем поправочный коэффициент зависит, для каждой фазы, от репрезентативного значения напряжения только для каждого соответствующего периода напряжения, где упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения.
2. Система по п. 1, в которой поправочный коэффициент удовлетворяет, для каждой фазы, следующему уравнению:
где i - индекс соответствующей фазы,
k - индекс периода напряжения, причем k заключен между 1 и K, K равно количеству периодов напряжения, происходящих в течение периода передачи,
k0 - индекс периода напряжения, выбранного из множества периодов напряжения,
kmax - количество периодов напряжения, для которых значение модуля основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье больше заранее определенного порогового значения ε в течение данного периода передачи, и
и 
соответственно, представляют модуль основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье для фазы, имеющей индекс i, и периода напряжения, имеющего индекс k, и, соответственно, выбранного периода напряжения, имеющего индекс k0.
3. Система по п. 1 или 2, в которой упомянутый набор из, по меньшей мере, одного репрезентативного переменного значения имеет множество действительных и мнимых коэффициентов разложения измеренного напряжения в ряд Фурье.
4. Система по п. 3, в которой электрическая энергия удовлетворяет, для каждой фазы, нижеследующим уравнениям:
и 
где i - индекс соответствующей фазы,
j - строка разложения в ряд Фурье, причем j заключено между 1 и J, причем J равно количеству строк упомянутого разложения, причем основная частотная составляющая соответствует строке, которая равна 1,
k - индекс соответствующего периода напряжения, причем k заключено между 1 и K, K равно количеству периодов напряжения, происходящих в течение периода передачи, и
Pi,j,k представляет активную мощность для фазы, имеющей индекс i, действительных и мнимых коэффициентов строки j и периода напряжения, имеющего индекс k.
5. Система по п. 1 или 2, в которой средство определения измеренного напряжения, кроме того, выполнено с возможностью определения, для каждой фазы, углового отклонения на основании отношения для, по меньшей мере, одного периода напряжения, причем отношение равно мнимому коэффициенту основной частотной составляющей разложения напряжения в ряд Фурье, в течение упомянутого периода напряжения, деленному на действительный коэффициент упомянутой основной частотной составляющей напряжения, и вычислительный элемент выполнен с возможностью расчета значения для электрической энергии также на основании углового отклонения.
6. Система по п. 5, в которой угловое отклонение определяется, для каждой фазы, согласно нижеследующим уравнениям:
и αi,k=ϕi(k+1)-ϕi(k) ∀k∈[1;K-1]
то есть 
где 
где i - индекс соответствующей фазы,
k - индекс периода напряжения, причем k заключен между 1 и K, K равно количеству периодов напряжения, происходящих в течение периода передачи, и
Ui,l,k представляет основную частотную составляющую напряжения для фазы, имеющей индекс i, и периода напряжения, имеющего индекс k.
7. Система по п. 5, в которой первые действительный коэффициент и мнимый коэффициент разложения в ряд Фурье измеренного напряжения рассчитываются согласно нижеследующим уравнениям, для каждого периода напряжения, имеющего индекс, заключенный между 3 и K, причем выбранный период напряжения имеет индекс, равный 2:
ReUi,j,k=cos(j×αi)×ReUi,j,k-1-sin(j×αi)×ImUi,j,k-1,
ImUi,j,k=cos(j×αi)×ImUi,j,k-1+sin(j×αi)×ReUi,j,k-1,
причем первые действительный и мнимый коэффициенты разложения в ряд Фурье измеренного напряжения рассчитываются согласно нижеследующим уравнениям, для периода напряжения, имеющего индекс, равный 1:
ReUi,j,1=cos(-j×αi)×ReUi,j,2-sin(-j×αi)×ImUi,j,2,
ImUi,j,1=cos(-j×αi)×ImUi,j,2+sin(-j×αi)×ReUi,j,2.
8. Электрошкаф, содержащий:
- панель, включающую в себя, по меньшей мере, один первичный выходной электрический проводник и, по меньшей мере, один вторичный выходной электрический проводник, причем каждый вторичный выходной проводник электрически подключен к соответствующему первичному выходному проводнику, причем соответствующие выходные проводники имеют переменное напряжение, и
- вычислительную систему для расчета электрической энергии тока, текущего в каждом вторичном выходном проводнике,
отличающийся тем, что вычислительная система является системой по п. 1 или 2.
9. Трансформаторная подстанция для преобразования электрического тока, имеющего первое переменное напряжение, в электрический ток, имеющий второе переменное напряжение,
отличающаяся тем, что включает в себя электрошкаф по п. 8, входную панель, включающую в себя, по меньшей мере, один входной электрический проводник, выполненный с возможностью подключения к электрической сети, причем входной электрический проводник имеет первое переменное напряжение, причем панель электрошкафа образует выходную панель, в которой соответствующие выходные проводники имеют второе переменное напряжение, и
электрический трансформатор, подключенный между входной панелью и выходной панелью, причем трансформатор выполнен с возможностью преобразования тока, имеющего первое переменное напряжение, в ток, имеющий второе переменное напряжение.
10. Способ расчета электрической энергии переменного тока, текущего в, по меньшей мере, одном вторичном электрическом проводнике, причем вторичный проводник электрически подключен к первичному электрическому проводнику, причем первичный проводник и каждый вторичный проводник имеют, по существу, одно и то же переменное напряжение, и переменный ток имеет, по меньшей мере, одну фазу,
причем способ включает в себя этапы, на которых:
- (a) измеряют, с помощью первого устройства, напряжение тока, текущего в первичном проводнике, получают выборку значения измеренного напряжения, определяют набор из, по меньшей мере, одного переменного репрезентативного значения измеренного напряжения, причем упомянутый массив данных определяют на основании значения напряжения, измеренного в течение данного периода передачи, причем первое сообщение содержит упомянутый массив данных, и передают, после периода передачи первого сообщения, причем период передачи соответствует кратному числу периодов напряжения, причем период напряжения является равным обратной частоте переменного напряжения,
- (b) измеряют, с помощью второго устройства, силу тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, и получают выборку значения измеренной силы тока, и
- (c) рассчитывают, с помощью, по меньшей мере, одного вычислительного элемента, электрическую энергию для каждой фазы упомянутого тока, текущего в соответствующем вторичном проводнике, причем вычислительный элемент подключен к, по меньшей мере, одному соответствующему второму устройству и включает в себя радиоприемник и средство приема сообщений для приема первого сообщения, причем расчет электрической энергии осуществляют на основании упомянутого массива данных, содержащегося в первом сообщении, и выборок силы тока, связанных с данным периодом передачи,
отличающийся тем, что на этапе (а) упомянутый массив данных определяют также на основании поправочного коэффициента, связанного с данным периодом передачи, причем поправочный коэффициент зависит, для каждой фазы, от репрезентативного значения напряжения только для каждого соответствующего периода напряжения, где упомянутое репрезентативное значение больше заранее определенного порогового значения.
| WO 2013017663 A1, 07.02.2013 | |||
| US 8014964 B1, 06.09.2011 | |||
| Электромуфель для обжига стеклоизделий после золочения | 1955 |
|
SU103190A1 |
| US 5517106 A, 14.05.1996 | |||
| СХЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МОНИТОРА ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) | 1997 |
|
RU2129729C1 |
