УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК G01R21/06 

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрической энергии, содержащему датчик силы тока и датчик напряжения, которые посылают соответственно сигналы силы тока и напряжения в схему объединения сигналов, откуда эти сигналы направляются в аналого-цифровой преобразователь в виде последовательного цикла сигналов.

В области измерения электроэнергии довольно часто возникает ситуация, когда для уменьшения связанных с использованием нескольких преобразователей используется только один аналого-цифровой преобразователь, который и обеспечивает необходимое преобразование сигналов, поступающих от нескольких датчиков. Для этого используется схема объединения сигналов, которая регулирует последовательность, в которой сигналы направляются от датчика в преобразователь. К сожалению, способ объединения сигналов и необходимое на преобразование каждого сигнала время обязательно подразумевают временную задержку между процессом преобразования значений сигналов напряжения и сигналов силы тока. Упомянутая временная задержка может оказаться значительной, если существует необходимость рассчитать мгновенную энергию сигнала переменного тока, так как значение силы тока, которое измерено, будет соответствовать какой-то иной точке сигнала по сравнению с последующим значением измеренного напряжения. Связанные с этой временной задержкой проблемы становятся более значимыми, если существует необходимость измерить потребление энергии на каждой фазе многофазной сети, использующей одиночный преобразователь, так как в данном случае становится более продолжительным цикл выборки.

Чтобы смягчить эту проблему можно просто уменьшить временную задержку между измерениями за счет использования преобразователя, который быстро выполняет необходимые преобразования. Для компенсирования временной задержки между измерениями в течение последующего этапа вычисления были предложены интересные системы. В частности, в патенте Германии N 4221057 описывается система, которая суммирует результат первого измерения напряжения и последующего измерения силы тока, а также результат этого измерения силы тока и последующего измерения напряжения, при этом сумма корректируется на коэффициент, основанный на частоте сигнала и на периоде времени между выборками. Подобная система предусматривает обязательное выполнение нескольких этапов умножения между измерениями силы тока и напряжения, однако она не рассчитывает мгновенную энергию. В патенте Великобритании N 1575148 описан другой вариант прибора для измерения электроэнергии, снабженный схемой мультиплексирования вместе со средством компенсирования временной задержки между выборками сигналов тока и напряжения.

В основу настоящего изобретения положена задача создать устройство, свободное от вышеперечисленных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что согласно настоящему изобретению имеется электронное регулирующее средство, которое рассчитывает мгновенную электрическую энергию в момент измерения первого сигнала силы тока или напряжения посредством первого этапа вычисления значения, представляющего первый сигнал, взятый из значения первого значения, выбранного в этот момент, и посредством второго этапа вычисления значения, представляющего второй сигнал, взятый из значений двух выборок второго сигнала, которые были сделаны до и после упомянутого момента, при этом первый или второй этап вычисления значения первого или второго сигнала дополнительно используют по меньшей мере две другие выборки этого сигнала, чтобы рассчитать значение этого сигнала.

За счет чередования выбранных значений можно будет компенсировать проблемы временной задержки на этапах вычисления. Каждое значение выборки можно будет скорректировать на какой-то коэффициент, значение которого зависит от относительной синхронизации между выборками. В случае, если этап вычисления первого сигнала использует три выборки, а этап вычисления второго сигнала использует две выборки, тогда значения коэффициентов первого сигнала будут равны 1/2, 1, 1/2 для выборок, взятых перед рассматриваемым моментом, в момент и после этого момента соответственно. Более того, связанные с коэффициентами второго сигнала значения будут равны 1, 1. Использование коэффициентов для двух сигналов, имеющих одни и те же относительные значения, имеет своим конечным результатом выдачу значений первого и второго сигналов, имеющих одну и ту же относительную амплитуду.

Имеющие эти значения коэффициенты используются тогда, когда выборки каждого сигнала будут эквидистантными во времени. Различия могут возникать, например, в том случае, если используется цикл мультиплексирования, содержащий другие предназначенные для преобразования значения, когда выборка одного сигнала не является эквидистантной по отношению к двум соседним выборкам другого сигнала. В этом случае, чтобы скорректировать разность времени выбранных значений можно использовать другие значения коэффициента.

Специфическим преимуществом в данном случае является введение этапа вычисления, который использует по меньшей мере три выборки сигнала для вычисления значения, соответствующего этому сигналу. В частности, это дает возможность определить контур гребенчатого прореживающего цифрового фильтра трех или более коэффициентов. Например, в описанном выше случае можно определить контур гребенчатого прореживающего цифрового фильтра с коэффициентами 1/2, 1, 1/2, причем этот фильтр имеет плоскую зону затухания вокруг частоты, соответствующей половине частоты между выборками упомянутого сигнала. Для сравнения укажем на то, что прореживающий цифровой фильтр, который использует только два коэффициента, определяет контур кривой затухания, имеющей точку, соответствующую максимальному значению затухания.

В каких-то конкретных ситуациях к сигналам силы тока или напряжения можно добавлять другие сигналы, например подмешиваемый псевдослучайный сигнал, чтобы иметь возможность улучшить разрешающую способность преобразователя. В соответствии с известными принципами этого метода обычно бывает необходимо удалять упомянутый подмешиваемый псевдослучайный сигнал после завершения операции преобразования сигналов. Один из способов выполнения этой операции предусматривает инжектирование подмешиваемого псевдослучайного сигнала с частотой, значение которой будет близким половине частоты выборки измеряемого в данный момент сигнала, причем этот сигнал удаляется сразу же после завершения преобразования с помощью прореживающего цифрового фильтра, который обеспечивает затухание сигналов на этой частоте. В общем, подмешиваемый псевдослучайный сигнал имеет частоту, которая не будет точно равна половине частоты выборки, а использование прореживающего цифрового фильтра с двумя коэффициентами и одиночной точкой затухания имеет своим конечным результатом небольшой остаток подмешиваемого псевдослучайного сигнала. Для сравнения укажем, что использование прореживающего цифрового фильтра с как минимум тремя коэффициентами гарантирует более полное удаление подмешиваемого псевдослучайного сигнала.

Следовательно, настоящее изобретение предлагает систему, которая компенсирует временные задержки между значениями напряжения и силы тока и которая особенно пригодна для совместного использования с подмешиваемым псевдослучайным сигналом для удаления этого сигнала после завершения преобразования. По одному из вариантов изобретения система дополнительно содержит средство для приплюсовывания подмешиваемого псевдослучайного сигнала к первому сигналу, частота которого равна примерно половине частоты выборки этого сигнала.

В этом контексте наиболее оптимальный вариант изобретения использует прореживающий цифровой фильтр с тремя коэффициентами, которые определяются на первом этапе вычисления, и прореживающий цифровой фильтр с двумя коэффициентами, которые определяются не втором этапе вычисления.

Специфическим преимуществом этого варианта изобретения является то, что он обеспечивает полное подавление подмешиваемого псевдослучайного сигнала после завершения преобразования и не испытывает тех трудностей и сложностей расчета, которые типичны для фильтров с более чем тремя коэффициентами. Кроме того, использование фильтра с двумя коэффициентами для другого сигнала исключает образование временной задержки между сигналами.

Настоящее изобретение можно использовать для измерения электроэнергии на одиночной фазе. Настоящее изобретение относится также к устройству для измерения электроэнергии многофазной сети, которое содержит датчик силы тока и датчик напряжения для каждой фазы, электронное средство регулирования и схему мультиплексирования, совместное функционирование которых гарантирует подачу сигналов от каждого датчика в преобразователь в виде последовательного цикла, при этом электронное средство регулирования рассчитывает мгновенную электрическую энергию для каждой фазы по уже описанной выше схеме.

В контексте измерения электроэнергии пульсирующие управляющие сигналы можно посылать в сеть для регулирования режима работы измерительного прибора. По одному из вариантов изобретения схема мультиплексирования имеет один ввод, предназначенный для приема пульсирующего управляющего сигнала, например схема имеет средство для приема пульсирующего управляющего сигнала, связанное с одним из датчиков напряжения, а результаты измерения будут подаваться в преобразователь в виде последовательного цикла вместе с результатами других измерений.

Чтобы поддержать симметрию цикла мультиплексирования, необходимо добавить в цикл другое значений (помимо значения, представляющего пульсирующий управляющий сигнал), чтобы цикл содержал четное количество образцов. Чтобы иметь возможность удалить паразитные напряжения, обусловленные "памятью" компонентов схемы, в частности связанных с конденсаторами в переключающих схемах зарядов, с помощью этого канала можно будет отобрать значение напряжения, равное нулю.

По одному из вариантов изобретения электронное регулирующее средство регулирует соединение другого контролирующего сигнала, представляющего одно или более контролируемых величин в канале схемы мультиплексирования на частоте, которая будет меньше частоты выборки этого канала, с таким расчетом, чтобы этот канал большую часть времени находился на нуле, но периодически получал контролирующий сигнал, который затем будет проходить в преобразователь. С помощью этих средств достигается аннулирование паразитных напряжений, хотя схема мультиплексирования может пропускать информацию по устройству из другого источника непосредственно в преобразователь. Например, информацию относительно открытия блока измерительного прибора или о статусе источника питания измерительного прибора можно подавать в преобразователь в ответ на управляющий сигнал, поступающий от средства регулирования.

Имея в виду возможные различия в амплитуде между сигналами силы тока и напряжения, по предпочтительному варианту изобретения нулевой сигнал и контролирующий сигнал располагаются между выборками напряжения и выборками силы тока в течение цикла мультиплексирования.

Суть изобретенья станет более ясной и очевидной из нижеследующего описания предпочтительного варианта изобретения, причем описание изобретения сопровождается ссылками на прилагаемые к описанию чертежи, на которых:
фиг. 1 показана схема устройства для измерения электрической энергии для трехфазной сети по предпочтительному варианту изобретения; фиг. 2 - цикл мультиплексирования и обработка образцов сигналов, осуществляемая показанным на фиг. 1 устройством; фиг. 3 показаны две кривые, представляющие поведение прореживающих цифровых фильтров с двумя и тремя коэффициентами, найденными в процессе обработки показанных на фиг. 2 образцов сигналов.

На фиг. 1 схематически показано устройство для измерения электрической энергии трехфазной сети. Для каждой фазы предусмотрен один датчик силы тока, содержащий взаимный индуктивный трансформатор 1, и один датчик напряжения, содержащий делитель напряжения 2. Сигнал тока от трансформатора подается в аналоговый фильтр нижних частот 3 (фильтр защиты от наложения спектров), за которым расположен фазовый корректор 4, который будет корректировать фазовые различия, остающиеся между каналами тока и напряжения. Схема подмешиваемого псевдослучайного сигнала 5 добавляет в сигнал тока подмешиваемый псевдослучайный сигнал, а интегратор 6 объединяет эти сигнал, причем это необходимо делать в виду того факта, что взаимный индуктивный трансформатор выдает сигнал, представляющий собой производное тока измерения. Сигнал напряжения также подается в фильтр нижних частот 7, после чего сигналы силы тока и напряжения подаются на вводы 13, V3 мультиплексора 8. Элементы входных схем каждого канала повторяются для каждой фазы и они на чертежах не показаны. Поступающие на входы мультиплексора 8 сигналы направляются дальше в аналого-цифровой преобразователь 11 в виде последовательного цикла, который регулируется мультиплексором 8 и электронным регулирующим средством, содержащим микропроцессор 9 и двоичный счетчик 10. Мультиплексор также принимает пульсирующие управляющие сигналы ТСС от схемы подачи пульсирующего управляющего сигнала обычной конструкции и мониторинговый сигнал от схемы мониторинга 12. Схема мониторинга 12 принимает сигналы от устройств, которые фиксируют раскрытие блока измерительного прибора, состояние источника питания, подачу питания от источника к измерительному прибору и т.д.; эти же устройства выдают информацию и о своем состоянии. Поступающие от мультиплексора сигналы затем преобразуются в цифровые значения с помощью преобразователя 11 и направляются в микропроцессор 9 для оценки.

Регулирование мультиплексирования сигналов осуществляется с помощью генератора синхронизирующих импульсов 13, который выполняет функцию генератора развертки и который обеспечивает приращение двоичного счетчика 10 и запускает в работу микропроцессор 9. Выбранный мультиплексором 8 канал адресуется с помощью состояния выводов 1, 2, 4, двоичного счетчика 10 циклом из восьми позиций. После этого выбранный канал немедленно преобразуется преобразователем 11. Выходной сигнал мониторинговой схемы 12 находится на нуле, если эта схема еще не получила команды от двоичного счетчика 10. Микропроцессор 9 периодически синхронизирует двоичный счетчик с помощью сигнала возврата в исходное состояние, а внутренний счетчик микропроцессора дает ему возможность быть в курсе, какой канал выбран в какой-то конкретный момент времени. Как правило, микропроцессор синхронизирует счетчик в конце каждого цикла из восьми измерений. И тем не менее в заданные моменты времени он прекращает посылку сигнала установки в исходное положение, а выходной сигнал N двоичного счетчика может после этого принять значение 1, чтобы послать сигнал на начало срабатывания мониторинговой схемы 12 и чтобы начать в мониторинговом канале один или более циклов измерения. После завершения этих измерений микропроцессор будет повторно запускать цикл посылки сигналов установки в исходное положение.

Как отмечали выше, в течение большей части времени микропроцессор устанавливает счетчик в исходное состояние в конце цикла из восьми измерений, при этом мониторинговый канал как бы резервируется для измерений или управляющих сигналов, которые реализуются при относительно низкой частоте по сравнению с частотой выборки, которая определяется сигналами генератора синхронизирующих импульсов. Следовательно, обычно этот канал имеет напряжение в нуль вольт, чтобы гарантировать оптимальный переход между позицией 7, представляющей собой образец последнего напряжения V3, и позицией 1, представляющей первую выборку тока 11. Между этими двумя позициями канал имеет потенциал (напряжение) в нуль вольт, чтобы можно было аннулировать паразитные напряжения, образование которых обусловлено электрическими емкостями и "памятью" переключающих схем. Следовательно, вводится в действие мониторинговая схема, функционирование которой будет синхронизировано с помощью выходного сигнала N двоичного счетчика, причем это происходит на частоте, которая в зависимости от N будет cубкратной частоты взятия образца, и в моменты, выбранные микропроцессором, архитектура которого отличается гибкостью и легкостью для выполнения этих и многих других функций.

На фиг. 2 показана числовая обработка образцов одиночной фазы напряжения и одиночной фазы тока в соответствующем цикле мультиплексирования. На этой схеме ясно видно, что временная задержка между измерением напряжения U1 и измерением тока 11 компенсируется с помощью этапа вычисления напряжения, который суммирует два значения напряжения 20, 21, выбранных около значения силы тока 22, и с помощью этапа вычисления силы тока, который суммирует значение силы тока 22 с двумя значениями силы тока 23, 24 около этого значения. Поскольку частота выборки между двумя измерениями будет значительно больше частоты сигнала переменного тока, который измеряется в данном случае, то между последовательностью измерений существует какая-то линейная связь, а представление напряжения в момент, соответствующий взятию образца тока 22, будет рассчитываться на основе результатов двух измерений напряжения 20, 21, умноженных на относительные коэффициенты 1,1. В данном случае обычно используется частота выборки между 5 кГц и 8 кГц для сигнала переменного тока в 50 Гц. С помощью этой методики чередования можно успешно устранить проблемы задержки между измерениями напряжения и силы тока.

Далее в случае возможности рассчитать значение мгновенной энергии с помощью уже рассчитанного значения напряжения и одиночного значения силы тока, взятой в момент 22, то и в этом случае остается предпочтительным рассчитывать значение силы тока с использованием трех выборок тока, умноженных на относительные коэффициенты 1/2, 1, 1/2. Подобный метод расчета поддерживает относительную пропорцию между значениями напряжения и силы тока и гарантирует ряд преимуществ, связанных с использованием цифрового фильтра, специально предназначенного для этого метода расчета.

Теперь обратимся к фиг. 3, где кривая 31 демонстрирует характеристику фильтра в момент обработки выборочных образцов напряжения. В частности, фильтр с коэффициентом усиления в cos(f) характеризуется следующим уравнением:
Y_n = X_n-1 + X_n.

Этот фильтр имеет нуль в точке, соответствующей половине частоты выборки, а поведение фильтра иллюстрируется в верхней части фиг. 3.

Для сравнения укажем, что фильтр, который обрабатывает образцы силы тока, характеризуется следующим уравнением:
Y_n = X_n-2/2 + X_n-1 + X_n/2.

Характеристика этого фильтра имеет форму кривой 32 в нижней части фиг. 3, т. е. коэффициент усиления в cos²(f), где расположена плоская зона 30 на частоте в половину частоты выборки, которая определяет максимальную зону затухания сигналов. Для достижения плоской зоны затухания в равной степени можно использовать другие фильтры с четырьмя или более коэффициентами. Преимущества фильтра этого типа связаны с использованием подмешиваемого псевдослучайного сигнала, который добавляется в результате измерения силы тока с целью усиления разрешения преобразователя.

Теперь еще раз вернемся к фиг. 1, где показан расположенный за датчиком силы тока 1 фильтр защиты от наложения спектров 3, частота среза которого соответствует половине частоты выборки. В данном случае происходит добавление подмешиваемого псевдослучайного сигнала в сигнал силы тока, имеющего частоту, которая примерно равна частоте среза. Типичный подмешиваемый псевдослучайный сигнал имеет форму треугольной волны, амплитуда которой соответствует нескольким шагам квантования. В описываемом варианте изобретения схема подмешиваемого псевдослучайного сигнала расположена выше интегратора 6 и происходит приплюсовывание прямоугольного сигнала, который после интеграции приобретает форму треугольного сигнала.

После преобразования сигналов силы тока необходимо будет удалить подмешиваемый псевдослучайный сигнал. По одному из вариантов изобретения это достигается с помощью прореживающего цифрового фильтра типа, который обычно используется для сигналов напряжения, т.е. с помощью фильтра с двумя коэффициентами. На фиг. 3 ясно видно, что этот фильтр обеспечивает затухание и ослабление подмешиваемого псевдослучайного сигнала. И тем не менее, если этот фильтр имеет нуль только на одной точке и если подмешиваемый псевдослучайный сигнал в общем-то не будет точно равен половине частоты выборки, тогда после фильтрации будет оставаться какая-то часть этого подмешиваемого псевдослучайного сигнала.

Для сравнения укажем, что фильтр защиты от наложения спектров с тремя или более коэффициентами, т.е. описанный выше тип фильтра для канала тока выдает кривую, которая показана в нижней части фиг. 3, а его плоская зона расположена около половины частоты выборки. Следовательно, этот тип фильтра полностью подавляет подмешиваемый псевдослучайный сигнал.

С помощью описанных выше устройств и средств настоящее изобретение компенсирует задержки между выборками напряжения и силы тока и дает возможность подавлять подмешиваемый псевдослучайный сигнал в канале тока.

Предложено устройство для измерения электрической энергии, содержащее датчики тока и напряжения, схему мультиплексирования и аналого-цифровой преобразователь. Микропроцессор регулирует режим работы схемы мультиплексирования так, чтобы гарантировать поочередную подачу в преобразователь сигналов тока и напряжения, этот же микропроцессор рассчитывает электрическую энергию мгновенно, используя для этого два значения напряжения, которое характерно образцу тока, и используя три образца тока. За счет использования упомянутых средств можно оптимально скорректировать временную задержку между образцами напряжения и силы тока. Технический результат - повышение точности. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения электрической энергии, содержащее датчик силы тока и датчик напряжения, которые подают сигналы силы тока и напряжения соответственно в схему мультиплексирования, после чего эти сигналы направляются в аналого-цифровой преобразователь в последовательном цикле сигналов, отличающееся тем, что устройство содержит электронное регулирующее средство, которое рассчитывает мгновенную электрическую энергию в момент измерения первого сигнала силы тока или напряжения посредством первого этапа вычисления значения тока или напряжения, представленного первым сигналом, и посредством второго этапа вычисления значения тока или напряжения, представленного вторым сигналом, взятых из двух образцов второго сигнала, до и после упомянутого момента, при этом первый этап вычисления значения тока или напряжения использует, по меньшей мере, два других образца этого сигнала. 2. Устройство для измерения электрической энергии по п.1, отличающееся тем, что значения образцов первого сигнала умножаются на коэффициенты, имеющие относительные значения 1/2, 1, 1/2 для образцов, взятых перед упомянутым моментом, в этот момент и после этого момента соответственно. 3. Устройство для измерения электрической энергии по п.1 или 2, отличающееся тем, что значения образцов второго сигнала умножаются на коэффициенты, имеющие относительные значения 1, 1. 4. Устройство для измерения электрической энергии по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство приплюсовывания подмешиваемого псевдослучайного сигнала к первому сигналу, имеющему частоту, равную половине частоты выборки сигнала. 5. Устройство для измерения электрической энергии по любому из пп.1 - 4, предназначенное для измерения электрической энергии в каждой фазе многофазной сети и имеющее датчик силы тока и датчик напряжения для каждой фазы, при этом совместное функционирование регулирующего средства и схемы мультиплексирования обеспечивает подачу сигналов от каждого датчика в преобразователь в последовательном цикле. 6. Устройство для измерения электрической энергии по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что схема мультиплексирования имеет один ввод, предназначенный для приема пульсирующего управляющего сигнала, при этом результат измерения подается в преобразователь в последовательном цикле вместе с результатами других измерений. 7. Устройство для измерения электрической энергии по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что электронное регулирующее средство регулирует соединение другого сигнала, представляющего одно или более контролируемых величин в одном канале схемы мультиплексирования, причем в ином случае этот канал находится в нулевом состоянии, а частота соединения мониторингового сигнала в этом канале будет меньше частоты выборки этого канала, чтобы большую часть времени этот канал находился в нулевом состоянии, но периодически принимал мониторинговый сигнал. 8. Способ измерения электрической энергии с помощью датчика силы тока и датчика напряжения, которые посылают в схему мультиплексирования сигналы тока и напряжения соответственно, после чего эти сигналы подаются в аналого-цифровой преобразователь в последовательном цикле сигналов, отличающийся тем, что мгновенную электрическую энергию в момент взятия первого сигнала, представляющего собой сигнал тока или напряжения, рассчитывают посредством первого этапа вычисления значения тока или напряжения из значения первого сигнала, и посредством второго этапа вычисления значения тока или напряжения, представленного вторым сигналом, взятым из значений двух других образцов второго сигнала, до и после упомянутого момента, при этом на первом этапе вычисления используют, по меньшей мере, два других образца этого сигнала, взятых до и после упомянутого момента времени.