专利名称：具有电能计量和合并单元功能的单个ied的制作方法
技术领域：
本文公开的多个方面一般涉及智能电子设备，更具体地涉及具有集成的电能计量和合并单元功能的智能电子设备。
背景技术：
目前，已存在用于执行计量和电能质量计算的基于控制器的电能计量设备，其为一种智能电子设备(IED)。还存在一种称为合并单元的设备，其将来自各个电流变换器 (Current Transformer, CT)和电压变换器(Potential Transformer, PT)的多个输入(通常为数字)信号合并，并输出一组合并后的信号，以在远离该合并单元的地方进行处理和储存。目前，这些电能计量和合并功能由单独的设备来实现，这些单独的设备不得不用昂贵的铜线耦接在一起。这两个设备之间的取样同步性差，并且合并单元可以提供比需要执行特定的计量计算实际所需更多的信号。例如，因为当电气系统上发生某种故障或异常事件时将出现饱和情况，当测量CT变得饱和时，可能仅仅来自保护CT的数据是有用的，但合并单元仍将提供来自测量CT和保护CT两者的信号，这在拥塞不利时增加了网络流量。因此，至少需要一种将电能计量和合并单元功能合并至单个IED中的装置。本公开旨在解决这些和其他需求。
发明内容
一种智能电子设备(IED)，其包括外壳；在所述外壳处接收的多个输入，其用于接收来自相应的第一电流变换器或电压变换器的电流或电压信号的表征；布置在所述外壳内的电能计量单元，所述电能计量单元用于计算包括所述电流或电压信号中任一个的表征的函数；布置在所述外壳内的合并单元，所述合并单元设置用于将所述电流或电压信号的数字表征合并成合并后的数字取样的单个集合；布置在所述外壳内的存储器，所述存储器用于存储所述合并后的数字取样的单个集合；和耦接至所述存储器的微控制器。所述多个输入包括多个模拟输入，并且，至少一些所述第一电流变换器或电压变换器是模拟变换器，每个所述模拟变换器输出由至少一些所述变换器各自所检测到的模拟电流或电压的模拟表征。所述设备还包括布置在所述外壳内的数字转换单元，所述数字转换单元将来自所述模拟输入的所述模拟电流或电压信号转换成相应的数字化电流或电压取样。所述多个输入可以包括多个数字输入，所述电流或电压信号的表征可以是表示电流或电压信号的数字取样。至少一些所述第一电流变换器或电压变换器可以是数字变换器，每个数字变换器输出由所述至少一些变换器各自所检测到的模拟电流或电压的数字表征。第一电流变换器或电压变换器可以包括保护电流变换器。第一电流变换器或电压变换器可以包括测量电流变换器。第一电流变换器或电压变换器可以包括保护电流变换器和测量电流变换器。该设备还可以包括将元数据标记施加在至少一些所述电流或电压信号的数字表征上的标记单元。所述第一电流或电压变换器可以包括保护电流变换器和测量电流变换器。所述合并单元可以设置成将与保护变换器有关的电流或电压信号的数字表征和与测量变换器有关的电流或电压信号的数字表征合并为所述合并后的数字取样的集合。元数据标记还可以包括用于所述多个输入中的每个输入以及发出每个所述电流或电压信号的物理变换器的指示。所述元数据标记还可以包括采样率，每个所述采样率表示以数字方式对所述电流或电压信号的各个数字表征进行采样的速率。所述元数据标记还包括与至少一些所述第一变换器各自有关的最大初级电流和次级电流之比值对应的标度值。所述元数据标记还包括与至少一些所述第一变换器各自的校准对应的校准值。所述存储器可以存储电气系统中的所述IED相对于所述电气系统中的所有其他IED的物理位置的表征。所述元数据标记还包括所述物理位置的表征。所述设备还包括用于将所述合并后的数字取样的单个集合的格式化后的表征经由第一通信网络传送至订阅设备的第一通信接口。所述格式化后的表征根据取样测量值(SMV)格式来表达。所述第一通信接口通过发布-订阅信息协议发送所述合并后的数字取样的单个集合的所述格式化后的表征。所述发布-订阅信息协议由国际电工委员会(IEC)61850-9 标准定义。所述订阅设备为继电器、控制器、远程终端单元(RTU)或功率计。由所述电能计量单元计算得到的所述函数生成计量数据。所述设备还包括用于将所述计量数据的格式化后的表征经由第二通信网络传送至远程计算机系统的第二通信接口。所述远程计算机系统为数据采集与监视控制系统(SCADA)。所述计量数据的所述格式化后的表征根据以太网协议经由所述第二通信网络传输。由所述电能计量单元计算得到的所述函数生成计量数据。 所述设备还包括用于将所述计量数据的格式化后的表征经由所述第一通信网络传送至远程计算机系统的第二通信接口。通过对所述微控制器进行编程，以将初级时间戳施加在所述数字化电流或电压取样上，每个所述初级时间戳表示每个所述数字化取样在各个所述第一变换器的初级侧上出现的特定时间。所述设备还包括将元数据标记施加在至少一些所述数字化电流或电压取样上的标记单元。每个所述元数据标记包括与各个所述数字化取样有关的各个所述初级时间戳。所述多个数字输入设置成接收每个所述数字取样的对应初级时间戳，每个所述初级时间戳表示每个所述数字取样在各个所述第一变换器的初级侧出现的特定时间。通过对所述微控制器进行编程，以将次级时间戳施加在至少一些所述数字取样上。每个所述次级时间戳表示每个所述数字取样在各个所述数字输入处被接收的特定时间。所述设备还包括将元数据标记施加在所述数字电流或电压取样上的标记单元。每个所述元数据标记包括与各个所述数字取样有关的各个所述初级时间戳和次级时间戳。通过对所述微控制器进行编程， 以将初级时间戳施加在所述数字化电流或电压取样上。每个所述初级时间戳表示每个所述数字化取样在各个所述第一变换器的初级侧出现的特定时间。每个所述元数据标记还包括与各个所述数字化取样有关的各个初级时间戳。通过参照附图对各种实施例的详细描述，本发明的前述和其它的各个方面对本领域技术人员而言会很清楚，下面作出简要说明。
在参照附图并阅读下列详细说明后，本发明的前述和其它的优点将会很明显。图1是包括根据本文公开的多个方面的智能电子设备(IED)的电气系统的功能框图；图2是包括合并单元和电能计量单元的图1所示的IED的功能框图；图3是图1所示的IED的功能性部件的功能框流程图。虽然本发明容许各种变化和替代形式，但借助附图中的例子表示了具体的实施例并将在本文中详细描述。但应当理解，本发明不局限于公开的具体形式。相反，本发明旨在包含落入如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的所有变化、等同和替代形式。
具体实施例方式现在转至图1，图示的新型智能电子设备(IED)位于含有变电站开关站102和控制室104的系统中，控制室104包括多个经由网络116而通讯耦接至IED 100的IED 106、 108、110、112，还包括远程计算机系统114，该远程计算机系统114是可运行软件应用程序的数据采集与监视控制系统(SCADA)，所述软件应用程序例如是计费软件应用程序。远程计算机系统114经由网络118而通讯耦接至IED 100，网络118可以和耦接至IED 106,108, 110、112的网络116为同一个或不同。如本文所使用的，为了区分如IED 106、108、110、112 的传统IED和新型IED 100，根据本发明的IED是指代IED 100。其余IED 106、108、110、 112可以是任何传统的基于微控制器的设备，包括继电器、控制器、远程终端单元(RTU)或电路监视器或功率计。IED具有特殊功能，例如计量、电能质量计算、继电或保护，等等。例如IED 100,112的电路监视器或功率计可以是基于施耐德电气提供的P0WERL0GIC 系列 3000/4000电路监视器或P0WERL0GIC I0N7550/7650功率能量表。IED 100包括多个输入，接受来自各个测量和/或保护电流变换器120、122、124 和/或来自各个电压变换器126、1 的模拟和/或数字信号。这里，每个输入也可称作“通道”。变换器可以是输出模拟或数字信号的电流变换器(CT)120a-C、122、lMa-C，该模拟或数字信号相当于该CT的初级线圈中的电流量，变换器还可以是输出模拟或数字信号的电压变换器(PT) U6a-c、128，该模拟或数字信号相当于单相或多相电气系统中的线间电压或线与零线间电压。在所示例子中，电气系统提供了三相电(通常由A、B和C指代)和一个零线(由N指代)。术语“测量”和“保护”电流变换器指用于测量或保护应用的CT。国际电工委员会(IEC)将这些术语加以区分，参见IEC 60044-8，本发明所涉及领域内的技术人员能够理解这种区别。应当注意，变换器120、122、124、126、128的输出可以是模拟或数字的任意结合。例如，测量CT 120a可以输出表示CT 120a的次级绕组上电流的模拟信号，而测量CT 120b可以输出表示CT 120b的次级绕组上电流的数字信号。次级绕组上的信号与变换器初级绕组上对应的信号成比例。IED 100将电能计量功能和合并单元功能相结合。合并单元是将输入信号分组、并将代表那些输入信号的合并后的数字取样经由通信网络传送至其他IED的单元或电路。重要强调的是，IED 100可以接收来自变换器的模拟和数字输入或仅接收模拟输入或仅接收数字输入。由于数字CT产生的光学输出代表次级绕组上电流的模拟波形，因此数字电流变换器有时也称作光学CT，并形成数字CT输出和IED 100输入的直接点对点数字耦接(即无需通过网络)。还需重要强调的是，IED 100可以同时接收来自于用于测量和保护的CT和 PT的输入(模拟或数字或两者)。
7
术语“单元”可以指电路或软件功能。不同的单元尽管他们主要的功能不同，但是可以具有重叠的电路或可以共享软件，不同的单元例如是标记单元212和合并单元206。虽然图2中所示的各个单元物理上彼此有区分，但实际上他们不需要这样。例如，无须提供每一个可能想到的例子，数字转换单元210从物理上可以合并到微控制器214的电路中，存储器216也可如此。电能计量单元208可以包括微控制器214或包括用于执行计量或电能质量计算的单独的数字信号处理器。换言之，与物理上不同的结构相反的是，这些单元为功能性结构。对于IED 100仅包括数字输入而无模拟输入的实施方式，无需数字转换单元210。优选地，IED 100位于变电站开关站中，以使CT和PT之间的距离最小。使IED 100 物理上接近来自于CT和PT的输入连接点(例如为几英尺或者小于约10码)，这减少了将 CT和PT的输出连接至IED 100的输入所需的连接电缆的长度。或者，IED 100可以不在变电站开关站中，而可以位于控制室104中或位于变电站开关站中远离CT和PT的另一位置， 这以增加CT、PT和IED 100之间的电线为代价。对于电气系统中给定的监测点120、122、124、126、128，可以具有一组PT 126,128 和两组CT(一组保护CT IM和一组测量CT 120,122) O电表和继电器对电流范围和精确度有不同的要求。保护继电器需要广的测量范围来覆盖故障情况，但不要求高等级的精确度， 而电表要求高等级的精确度和较低的测量范围。IED 100接收模拟和数字输入的任意组合， 使所有通道及时关联，并经由通信网络116将整个取样集合传送给其他IED 106、108、110、 112。图2图示了 IED 100的功能框图。IED 100包括一组模拟输入202，它们用于接收由模拟测量CT120、122、模拟保护CT IM和模拟PTU6、U8输出的对应模拟信号。IED还包括一组数字输入204，它们用于接收数字测量CT 120、122、数字保护CT IM和数字PT 126、 1 输出的对应数字信号。因为图1中所示的任何变换器可以是数字变换器或模拟变换器， 所以相同的附图标记用来同时指代模拟和数字变换器。数字变换器输出变换器中次级绕组上的电流或相对于另一线路或零线的电压的数字表征，其表征形式为以特定采样率采样的数字电流或电压取样。模拟变换器输出代表变换器的次级绕组上的电流或相对于另一线路或零线的电压的模拟信号。虽然图2中同时图示了模拟和数字输入202、204，但应该理解， 在其他实施方式中，IED 100仅包括模拟输入或仅包括数字输入。IED 100还包括合并单元206、电能计量单元208、可选的数字转换单元210(仅当 IED 100包括模拟输入202时存在)、可选的标记单元212、微控制器214、存储器216、第一通信接口 216和第二通信接口 220。所有这些部件容纳在IED 100的外壳或外罩200内。 模拟输入202、数字输入204、第一通信接口 218和第二通信接口 220从外壳200的外部是可以接触到的。虽然图示的可选的标记单元212位于合并单元206的下游，但在其他实施方式中，这两个框可以反过来，使标记单元212位于合并单元206的上游。在该实施方式中，来自数字转换单元210的数字化取样和来自数字输入204的数字取样在合并单元206 中被合并之前，对他们进行标记。下面结合图3更详细地讨论这种实施方式。应当注意，术语“数字化取样”用来与“数字取样”区分开。“数字化取样”指在模拟输入202处的模拟信号被数字化后的取样，而“数字取样”指在数字输入204处直接接收的数字取样。即使“数字”取样已经被他们的来源处CT或PT数字化，但为方便起见，术语“数字化取样”用来指在 IED 100内部被数字化后的模拟信号。
或者，合并单元206可以配置成不从CT或PT接收数字取样或数字化取样，而是从另一 IED(未图示)或另一发布设备(其中IED 100既是订阅者又是发布者)的通信网络 (未图示)接收数字取样或数字化取样。IED 100经由传统通信接口(有线、无线(蓝牙， 802. 11)等等)耦接至通信网络。可以理解的是，不仅保护电流变换器120、122、1M和电压变换器126、128，而且其它的外部测量或保护CT和/或PT都可以与IED 100耦接，以补充或验证来自变电站开关站102的测量结果。例如，可以使用测试或临时的保护和测量CT代替或并联于保护电路变换器120、122、1M和电压变换器126、128，以验证他们的设置和输出信号。数字转换单元210根据一定的采样率，将来自模拟输入202的模拟电流或电压信号转换成对应的数字化电流和电压取样，所述采样率可以随着发出模拟信号的变换器的类型进行调节。如上所述，相对于来自保护CT的模拟信号的采样率(例如每周期20、48、80 或1 个取样)，可以以更高的采样率(例如每周期IOM个取样)对来自测量CT的模拟信号进行取样。数字转换单元210决定针对来自模拟输入202的每个到来的模拟信号的合适的采样率，并且将得到的数字化模拟或电压信号传递至合并单元206和/或电能计量单元 208。用户可以选择哪个(些)通道以经由通信网络116、118传送。例如，因为IED 100在电能计量单元208中执行计量计算，用户可能不希望传送来自测量变换器的通道。IED 100 还将来自保护CT的输入信号与来自测量CT的输入信号合并，以生成包含计量(测量)和保护两者需求的数字取样的单个流(single stream)。下面将讨论其它细节。电能计量单元208计算包括模拟或数字输入202、204中承载的任何电流或电压取样的表示值的函数。由电能计量单元208计算得到的函数的例子包括电能或能量计算、用于功率和能量积累的均方根(RMS)计算、谐波计算、包括从时域到频域的傅立叶变换的电能质量计算。可以由电能计量单元208实现任何其他传统电能计量计算。“电流或电压取样的表征值”的例子包括电流值、电压值或从电流或电压得出的值，例如功率、能量、基频或谐波频率，等等。合并单元208将来自数字转换单元210的数字化电流或电压取样与来自数字输入 204的数字电流或电压取样合并成合并后的数字取样的单个集合。该合并后的数字取样可存储在存储器216中。合并后的数字取样经由通信网络116、118以根据例如IEC 61850-9标准定义的取样测量值(SMV)格式表达的格式化后的表征传送。合并后的数字取样经由例如由IEC 61850定义的以太网组播方法的发布-订阅信息协议传送至其他IED 106、108、110、112。图3是IED 100中功能性部件的框图。在IED 100的模拟输入202处接收来自模拟CT和PT 120、122、1对、1沈、1观的信号。数字转换单元210对每个模拟信号执行模拟-数字转换以产生相应的数字化取样(302)。微控制器214将初级时间戳标记在每个数字化取样或每组取样上(304)。每个初级时间戳代表由数字化取样所代表的模拟信号出现在对应模拟变换器120、122、124、126、128的初级侧(即初级绕组)的时间。换言之，初级时间戳是在对应电流或电压变换器的初级绕组处最初接收电流或电压信号的时间表示。初级时间戳不同于下面讨论的次级时间戳。时间戳可以基于全球定位系统(GPS)信号，这保证了 IED 100内的板载时钟精确并与GPS跟踪时钟对准。在IED 100的数字输入侧上，在IED 100的数字输入204处接收来自数字CT和PT120、122、124、126、128的数字取样(306)。承载数字取样的时序的每个通道可以包括表示由数字取样所表示的初始模拟信号在数字CT或PT的初级绕组处被接收的时间的初级时间戳。微控制器214将次级时间戳标记在每个数字取样或每组数字取样上(308)。区别于初级时间戳的是，次级时间戳指在该组数字输入204的对应数字输入处接收数字取样的时间。次级时间戳可以反映数字取样传递至IED的等待时间，该等待时间是由数字CT或PT 中的数字化电路或算法导致的，这给数字取样的传输相对于其模拟取样在数字CT或PT的初级绕组处最初被接受带来延迟。次级时间戳可以用于诊断目的。来自数字转换单元210的带有时间戳的数字化取样和来自数字输入204的带有时间戳的数字取样供给图2中所示的标记单元212。如上所解释，标记单元212可以位于合并单元206的上游或下游，从而，在将数字化信号和数字信号供给合并单元206进行合并之前、或在合并单元206已经合并这些信号之后，标记单元212对数字化信号和数字信号进行标记。标记单元212将元数据(metadata)标记施加给每组数字化或数字取样(例如，信号 = V1，对应于A相电压)上。元数据标记还可以包括与对应的数字化取样或数字取样有关的初级和/或次级时间戳。元数据标记包括随后的框(例如下游的IED 106-112)可以恰当处理的信息。IED 100采集与给定输入通道的具体取样集合有关的识别信息(例如，根据采样率，取样的完整周期值可以是64、1观或256个连续取样)。换言之，IED 100不是对每个取样逐一进行标记，而是等到积累成取样集合，才对该取样集合进行标记。标记中存在的元数据字段的范例包括产生取样的物理变换器的指示，例如Vl PT, Il测量CT，Il保护 CT，等等。元数据标记还可以包括采样率，该采样率表示数字化取样或数字取样被以数字方式采样的速率。数字取样的采样率可以由用户手动输入。元数据标记还可以包括表示与对应CT或PT有关的最大初级电流和最大次级电流的比值的标度值。元数据标记还可以包括一个以上与相应的CT或PT的校准对应的校准值。存储器216可以储存电气系统中的IED 100相对于电气系统中的所有其他IED 106-112的物理位置的表征，并且元数据标记包括电气系统中IED 100的相对物理位置的表征。一旦元数据标记施加在每个取样集合上，合并单元206就将来自给定通道(例如 ID的测量和保护CT的数字化取样和数字取样合并成表示测量CT的精确度(较低幅值) 和保护CT的范围(较高幅值)的合并后的数字取样的单个集合(由框314表示)(312)。 换言之，合并单元206合并两个通道，一个通道包含来自保护CT的取样(高范围，低精度)， 另一个通道包含来自测量CT的取样(低范围，高精度)，从而合并后的数字取样的并集，(a) 如果测量CT未饱和(无故障情况存在)，则表示来自测量CT的取样，或者(b)如果测量CT 饱和(在故障情况期间)，则表示来自保护CT的取样。合并单元206减少了需要通过网络 116传输的取样流的数量，降低了带宽，并且消除了以单独传输的方式发送对应于测量CT 的数字取样和对应于保护CT的数字取样的需要。由框314表示的合并后的数字取样可以在任意特定时刻及时容纳不同的取样集合。例如，当测量CT趋于饱和的故障情况下，合并后的数字取样中仅包含来自保护CT的取样，而不包含来自测量CT的取样。因此，对于同一个取样流，一个取样集合可以具有一组元数据(例如采样率)，而另一取样集合可以具有不同的一组元数据。对订阅中的IED 106-112进行编程，使其能够接受具有不同元数据组的取样流。不用仅选择特定通道并入合并后的数字取样中，相反，可以将多个通道插入通用格式中，例如具有相同采样率和具有用相同标度表示的取样幅值，IED 100在内插后的信号中进行选择。合并后的数字取样供给电能计量单元208，电能计量单元208可选地将合并后的数字取样保存在存储器216中，以用于例如远程计算机系统114的前端(head-end)软件系统的随后索取(316)。合并后的数字取样的存储可以由检测出的系统事件或异常情况来触发，而不是连续记录所有合并后的数字取样。电能计量单元208还执行如上所述的计量和 /或电能质量计算(318)。有两类主要的计算计量计算和电能质量计算。计量计算的例子包括计算RMS功率和能量值。电能质量计算的例子包括分析来自于稳态正弦电流信号的变化。电能计量单元208由微控制器214控制，并基于每次一个通道(例如当计算RMS值或频率谐波)或基于多个通道的组合(例如当计算功率或能量时)进行计算。这些计算结果储存在存储器216中。利用例如MODBUS 协议、分布式网络协议(DNP)、以太网、或专有通信协议等通信协议，对合并后的数字取样或来自于电能计量单元208的计算结果进行格式化以用于传输。计算结果和合并后的数字取样经由通信网络118通过受微控制器214控制的第二通信接口 220传输至远程计算机系统114，优选利用主从轮询机制。IED 100经由通信网路118 对主机(例如远程计算机系统114或网关或另一 IED)发出的请求作出回应。IED 100可以支持多个通信协议，因此可以利用由IED100支持的多种协议之一来恰当地对计算结果和合并后的数字取样进行格式化以用于传输。IED 100通过第二通信接口 220监控通信网络118中来自一个以上主机的请求，并且对这些请求作出适当回应。通信网络118可以包括多种不同的介质，例如RS-232、RS-485、以太网、普通老式电话业务(P0TQ等，上面所述的可以和通信网络116为同一网络或不同网络。合并后的数字取样的集合可以根据默认或自定义的组别进行分组，并作为一组或一个集合一次传送。该功能可以由位于合并单元206下游和通信接口 218上游的分组单元 (未图示)执行。通过这里所述的“分组”，IED 100可以发布在输入202、204处接收的所有信号或那些信号的默认或自定义子集的数字取样。默认情况下，IED 100发布单个分组中的所有信号(324)。于是，合并后的数字取样的集合包括对应于输入到IED 100中的所有输入202、204的取样。或者，IED 100选择感兴趣的自定义的一组输入，或用户可以选择感兴趣的自定义的一组输入，并且IED 100仅传送与选定的输入(或通道)对应的数字或数字化取样(326)。例如，如上所述，由于计量计算已经由电能计量单元208执行，因此没必要发布测量CT的数字取样。每个分组具有一个以上的相关参数以识别该特定的分组，并且该分组内的每个信号都标记有框310中描述的任意或所有元数据。下列的识别信息可以用于区分不同的分组表示分组名字的参数、分组中的数据成员的数量、或用于识别存储在分组中的数据类型的描述字段，例如数据是否表示来自CT、PT或两者的信号。可选地，分组中的每个信号可以包括其他计算得到的数据。计算得到的数据表示基于视窗内正被传输的取样的某些计量计算，例如是每个信号的测得的线路频率或RMS计算。利用基于取样的通信协议，例如基于由IEC 61850标准定义的一种协议，对默认或自定义的分组进行格式化以用于传输(3观)。利用发布-订阅机制，例如利用由IEC 61850标准定义的组播机制，IED 100通过第一通信接口 218经由通信网络116传送默认或自定义的分组。这里，发布者(IED 100)以广播或组播方式经由通信网络116发送包含默认或自定义的分组的信息。IED 100(发布者)使其发布后的信息(合并后的数字取样的分组)成为流，并且没必要预先了解接收该分组的订阅者。例如IED 106-112的订阅者监测和过滤这些信息，从而仅接收那些其需要的信息，而滤掉其余的信息。IED 106-112是订阅者的例子。由本发明所能够推想到的其他订阅者包括非IED设备，例如，运行网页浏览器的特定计算机(其从例如IED 100接收RSS输入)。一旦在框3 或326中创建默认或自定义的分组，特殊控制框(指代如MSVCB的 IEC 61850标准或组播取样值控制框)就以该分组为参考。该控制框可以包括其他元数据， 以将其和例如IEC 61850-9-2标准中使用的那些其他控制框区分开。这些元数据字段可以包括表示控制框的名字或其参考的分组的名字的参数或包括表示分组的采样率的参数。本发明公开的任何算法包括由(a)处理器、(b)控制器和/或(C)其他合适的处理设备执行的机器可读指令。容易理解的是，微控制器214包括所述合适的处理设备。本发明公开的任何算法可以嵌入存储于有形介质上的软件中，有形介质如闪存、CD-ROM、软盘、 硬盘驱动器、数字多功能磁盘(DVD)或其他存储设备，但本领域普通技术人员容易理解，整个算法和/或其部分或者可以由控制器之外的和/或以众所周知的方式嵌入固件或专用硬件中的设备执行(例如，其可由专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑电路等实现)。而且，本文描述的任何流程图中表示的一些或所有机器可读指令可以手动实施。另外，虽然参考本文中描述的流程图或功能框图描述了具体算法，但本领域普通技术人员容易想到可以选择使用很多其他可运行例举的机器可读指令的方法。例如，可以改变框执行的顺序，和/或可以改变、去掉或合并所描述的一些框。IED 100可以实现很多优点，这些优点中的很多在上面已经述及或者建议。这些和其他的优点包括降低了电气系统总成本。现在仅需要一个设备，而不是两个设备(电能计量单元和单独的合并单元)。因为仅需要安装和调试一个设备而不是两个，因此调试时间也大幅缩短。IED 100使来自CT和PT的模拟和数字输出信号自动同步。IED 100提供了对取样流的短期或长期的本地存储，以用于随后从IED中索取，并且确保所有取样传送给所有订阅单元。如果无需传送计量取样，IED 100大幅减小了用于取样传输的带宽(因为是在 IED 100中执行计量计算)。仅仅需要传输计算的结果，这使用的带宽远小于相关取样使用的带宽。IED 100通过将计量和保护信号合并成单组合并后的数字取样以用于传输，也减少了用于传输取样的带宽。例如，IED 100可以将来自计量CT的Il和来自保护CT的Il合并成合并后的数字取样的单个集合。IED 100将传统的功率计延伸到可以接受数字取样流 (已经由初始CT/PT数字化后的取样)作为输入，在计量计算中使用那些数字取样，并且根据例如由IEC 61850 SMV标准定义的其他协议重新格式化和合并那些取样。IED 100可以容易地容纳同时用于测量和保护的变换器。虽然图示并说明了本发明的具体实施例和应用，但是应当理解，本发明不局限于此处公开的精确构造和组成，并且在不脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，显然可从前面的描述中作出各种变化、修改和变更。
1权利要求
1.一种智能电子设备(IED)，其包括外壳；在所述外壳处接收的多个输入，其用于接收来自相应的第一电流变换器或电压变换器的电流或电压信号的表征；布置在所述外壳内的电能计量单元，所述电能计量单元用于计算包括所述电流或电压信号中任一个的表征的函数；布置在所述外壳内的合并单元，所述合并单元设置用于将所述电流或电压信号的数字表征合并成合并后的数字取样的单个集合；布置在所述外壳内的存储器，所述存储器用于存储所述合并后的数字取样的单个集合；和耦接至所述存储器的微控制器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个输入包括多个模拟输入，并且，至少一些所述第一电流变换器或电压变换器是模拟变换器，每个所述模拟变换器输出由至少一些所述变换器各自所检测到的模拟电流或电压的模拟表征，所述设备还包括布置在所述外壳内的数字转换单元，所述数字转换单元将来自所述模拟输入的所述模拟电流或电压信号转换成相应的数字化电流或电压取样。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个输入包括多个数字输入，并且，所述电流或电压信号的表征是表示所述电流或电压信号的数字取样，其中至少一些所述第一电流变换器或电压变换器是数字变换器，每个所述数字变换器输出由至少一些所述变换器各自所检测到的模拟电流或电压的数字表征。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电流变换器或电压变换器包括保护电流变换器。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电流变换器或电压变换器包括测量电流变换器。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电流变换器或电压变换器包括保护电流变换器和测量电流变换器。
7.如权利要求1所述的设备，还包括将元数据标记施加在至少一些所述电流或电压信号的数字表征上的标记单元。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一电流或电压变换器包括保护电流变换器和测量电流变换器，所述合并单元设置成将与所述保护变换器有关的电流或电压信号的数字表征和与所述测量变换器有关的电流或电压信号的数字表征合并为所述合并后的数字取样的集合。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述元数据标记还包括用于所述多个输入中的每个输入以及发出每个所述电流或电压信号的物理变换器的指示。
10.如权利要求7所述的设备，其中，所述元数据标记还包括采样率，每个所述采样率表示以数字方式对所述电流或电压信号的各个数字表征进行采样的速率。
11.如权利要求7所述的设备，其中，所述元数据标记还包括与至少一些所述第一变换器各自有关的最大初级电流和次级电流之比值对应的标度值。
12.如权利要求7所述的设备，其中，所述元数据标记还包括与至少一些所述第一变换器各自的校准对应的校准值。
13.如权利要求7所述的设备，其中，所述存储器可以存储电气系统中的所述IED相对于所述电气系统中的所有其他IED的物理位置的表征，其中所述元数据标记还包括所述物理位置的表征。
14.如权利要求1所述的设备，还包括用于将所述合并后的数字取样的单个集合的格式化后的表征经由第一通信网络传送至订阅设备的第一通信接口。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述格式化后的表征根据取样测量值(SMV)格式来表达。
16.如权利要求14所述的设备，其中，所述第一通信接口通过发布-订阅信息协议发送所述合并后的数字取样的单个集合的所述格式化后的表征。
17.如权利要求14所述的设备，其中，所述发布-订阅信息协议由国际电工委员会 (IEC) 61850-9 标准定义。
18.如权利要求14所述的设备，其中，所述订阅设备为继电器、控制器、远程终端单元 (RTU)或功率计。
19.如权利要求1所述的设备，其中，由所述电能计量单元计算得到的所述函数生成计量数据，所述设备还包括用于将所述计量数据的格式化后的表征经由第二通信网络传送至远程计算机系统的第二通信接口。
20.如权利要求19所述的设备，其中，所述远程计算机系统为数据采集与监视控制系统(SCADA)。
21.如权利要求19所述的设备，其中，所述计量数据的所述格式化后的表征根据以太网协议经由所述第二通信网络传输。
22.如权利要求14所述的设备，其中，由所述电能计量单元计算得到的所述函数生成计量数据，所述设备还包括用于将所述计量数据的格式化后的表征经由所述第一通信网络传送至远程计算机系统的第二通信接口。
23.如权利要求2所述的设备，其中，通过对所述微控制器进行编程，以将初级时间戳施加在所述数字化电流或电压取样上，每个所述初级时间戳表示每个所述数字化取样在各个所述第一变换器的初级侧上出现的特定时间。
24.如权利要求23所述的设备，还包括将元数据标记施加在至少一些所述数字化电流或电压取样上的标记单元，每个所述元数据标记包括与各个所述数字化取样有关的各个所述初级时间戳。
25.如权利要求3所述的设备，其中，所述多个数字输入设置成接收每个所述数字取样的对应初级时间戳，每个所述初级时间戳表示每个所述数字取样在各个所述第一变换器的初级侧出现的特定时间，其中通过对所述微控制器进行编程，以将次级时间戳施加在至少一些所述数字取样上，每个所述次级时间戳表示每个所述数字取样在各个所述数字输入处被接收的特定时间。
26.如权利要求25所述的设备，还包括将元数据标记施加在所述数字电流或电压取样上的标记单元，每个所述元数据标记包括与各个所述数字取样有关的各个所述初级时间戳和次级时间戳。
27.如权利要求沈所述的设备，其中，通过对所述微控制器进行编程，以将初级时间戳施加在所述数字化电流或电压取样上，每个所述初级时间戳表示每个所述数字化取样在各个所述第一变换器的初级侧出现的特定时间，其中每个所述元数据标记还包括与各个所述数字化取样有关的各个初级时间戳。
全文摘要
一种智能电子设备(IED)，集成了电能计量单元(PMU)和使来自模拟变换器和数字变换器的信号合并成合并后的数字取样的集合的合并单元。在IED的模拟输入处接收来自模拟CT/PT的模拟电流/电压信号并将其转换成数字取样。在IED的数字输入处通过点对点连接接收来自数字CT/PT的数字电流/电压取样。标记单元将元数据标记施加在数字化和数字取样上。该元数据标记包括提供输入信号的变换器、采样率、初级时间戳和/或次级时间戳、标度值、校准值和/或IED在电气系统中的位置。PMU对取样执行计量和/或电能质量的计算，并且计算结果被格式化并且通过主-从协议传送至发出请求的主机上。分组单元将合并后的取样分成默认或自定义的分组，经格式化并通过发布/订阅机制经由网络传送。
文档编号G01R19/25GK102308225SQ200980156420
公开日2012年1月4日 申请日期2009年12月7日 优先权日2008年12月12日
发明者大卫·T·塔克基, 贝斯姆·埃尔沃里 申请人:施耐德电气美国股份有限公司