УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2019 года по МПК G01R19/25 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[001] Настоящее изобретение относится к устройству, выполненному с возможностью измерения электрической величины. В частности, упомянутая электрическая величина может представлять собой электрический ток, электрическое напряжение или электрическую мощность, которые имеют отношение к электрической цепи, включенной, в качестве примера, в распределительную сеть.

[002] ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[003] Обращая особое внимание на измерение электрической мощности, активная мощность, протекающая на участке электрической цепи, равна произведению тока на напряжение согласно известной формуле P(t)=v(t)⋅i(t). Для цепей переменного тока измерение мощности должно осуществляться в течение одного полного цикла или, возможно, целого числа циклов.

[004] Известны цифровые измерители мощности, которые измеряют мощность путем дискретизации тока и напряжения и затем вычисления произведения выборки за выборкой и усреднения за период (цикл) или целое число периодов (циклов). В произведении тока на напряжение в вышеупомянутой формуле используются значения тока и напряжения в один и тот же момент времени.

[005] В документе EP-A-853364 описан способ измерения электрической мощности на единичной нагрузке в электрической распределительной сети. Согласно этому документу фазовый угол между напряжением и током вычисляется путем определения моментов пересечения нуля, соответственно, напряжения и тока.

[006] Заявитель отмечает, что на меру мощности, описанную в документе EP-A-853364, могут оказывать влияние искажения форм волн измеряемых тока и напряжения.

[007] В документе “Harmonic power flow determination using the Fast Fourier Transform”- T.A. George, D. Bones, IEE Transaction on Power Delivery Vol.6, no. 2, April 1991 описано использование коэффициентов быстрого преобразования Фурье для вычисления потока мощности, связанного с каждой единичной гармоникой, для того, чтобы помочь определить местонахождение его источника.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[008] Заявитель отметил, что было бы желательно улучшить надежность измерения электрической величины в сочетании с нетрудным методом вычисления.

[009] Согласно варианту осуществления устройство для измерения электрических величин отличается тем тем, что содержит:

- модуль синхронизации, выполненный с возможностью выработки сигнала синхронизации;

- первое измерительное устройство, подсоединяемое к электрической цепи и выполненное с возможностью приема сигнала синхронизации и обеспечения:

- первых коэффициентов преобразования Фурье, представляющих первую электрическую величину, связанную с упомянутой электрической цепью,

- первого значения запаздывания, которое зависит от смещения по времени между моментом измерения, связанным с мерой первой электрической величины, и моментом приема сигнала синхронизации в первом измерительном устройстве;

- модуль обработки, выполненный с возможностью обработки первых коэффициентов преобразования Фурье и первого значения запаздывания и обеспечения первых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье, представляющих первую синхронизированную измеренную электрическую величину.

[0010] В частности, упомянутое первое измерительное устройство выполнено с возможностью обеспечения первых коэффициентов преобразования Фурье в качестве комплексных коэффициентов дискретного и быстрого преобразования Фурье.

[0011] В настоящем раскрытии обеспечен также способ измерения электрической величины, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых:

подсоединяют измерительное устройство к электрической цепи;

передают сигнал синхронизации в направлении измерительного устройства;

принимают сигнал синхронизации в измерительном устройстве;

измеряют измерительным прибором электрическую величину (I(t)), связанную с упомянутой электрической цепью, и обеспечивают соответствующие коэффициенты преобразования Фурье,

производят оценку значения (Δ1) запаздывания в зависимости от смещения по времени между моментом (T_sti) измерения, связанным с мерой электрической величины, и моментом (T_rx) приема сигнала синхронизации в измерительном устройстве;

обрабатывают коэффициенты преобразования Фурье и значения (Δ1) запаздывания и обеспечивают сдвинутые по времени коэффициенты преобразования Фурье, представляющие первую синхронизированную измеренную электрическую величину.

[0012] КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0013] Дополнительные характеристики и преимущества станут более очевидными из последующего описания предпочтительного варианта осуществления и его альтернативных вариантов, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

[0014] на фиг.1 показан вариант осуществления электрической системы, содержащей электрическую цепь и устройство для измерения электрических величин;

[0015] на фиг.2 показан схематично пример устройства для измерения электрического тока;

[0016] на фиг.3 показан схематично пример устройства для измерения электрического напряжения;

[0017] на фиг.4 показаны три схемы, которые относятся к работе устройства для измерения электрических величин в соответствии с первым примером;

[0018] на фиг.5 показан посредством блок-схемы последовательности операций пример работы устройства для измерения электрических величин.

[0019] ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] На фиг.1 показан вариант осуществления электрической системы 100, содержащей электрическую цепь 1 и устройство 2 для измерения электрических величин. В качестве примера, электрическая цепь 1 является участком электрической распределительной сети, такой как сеть высокого напряжения, среднего напряжения или, предпочтительно, низкого напряжения. Согласно варианту осуществления, электрическая цепь 1 является однофазной цепью, содержащей первую линию 3 и вторую линию 4. В частности, электрическая цепь 1 может быть силовым распределительным щитом или аналогичным распределительным устройством, и первые и вторые линии 3 и 4 являются соответствующими электрическими шинами.

[0021] В частности, электрическую цепь 1, показанную на фиг.1, можно подсоединить к первой нагрузке 5 и по меньшей мере ко второй нагрузке 6. Электрическая цепь 1 может быть обеспечена переключателями, автоматическими выключателями, устройствами защиты и управления (не показаны).

[0022] Альтернативно примеру, показанному на фиг.1, электрическая цепь 1 может быть двухфазной цепью, или трехфазной или, в общем случае, n-фазной цепью с или без нейтральной линии.

[0023] Устройство 2 для измерения электрических величин выполнено с возможностью измерения по меньшей мере одной электрической величины, связанной с электрической цепью 1, такой как ток, напряжение и/или мощность. Согласно описанному варианту осуществления устройство 2 для измерения электрических величин выполнено с возможностью измерения электрической мощности P(t), связанной с одной нагрузкой электрической цепи 1 (в качестве примера, с первой нагрузкой 5), посредством измерения электрического тока I(t), протекающего в первой нагрузке 5, и электрического напряжения V(t), прикладываемого к первой нагрузке 5. Устройство 2 для измерения электрических величин можно также выполнить с возможностью измерения электрической мощности, связанной с другими нагрузками электрической цепи 1.

[0024] В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.1, устройство 2 для измерения электрических величин содержит модуль 7 синхронизации, устройство 8 для измерения тока, устройство 9 для измерения напряжения и модуль 10 обработки.

[0025] Модуль 7 синхронизации выполнен с возможностью выработки сигнала S1 синхронизации, который должен передаваться, согласно первому примеру, по каналу 11 синхронизации, подсоединенному к устройству 8 для измерения тока и устройству 9 для измерения напряжения.

[0026] В соответствии с первым вариантом осуществления сигнал S1 синхронизации имеет своей целью синхронизацию работы устройства 8 для измерения тока и устройства 9 для измерения напряжения или обеспечение привязки ко времени для устройства 8 для измерения тока и устройства 9 для измерения напряжения.

[0027] Модуль 7 синхронизации может быть генератором сигнала, выполненным с возможностью передачи сигнала S1 синхронизации в форме аналоговых импульсов напряжения по проводной цепи. Альтернативно модуль 7 синхронизации может быть цифровым устройством, выполненным с возможностью передачи сигнала S1 синхронизации в форме цифровых телеграмм по последовательному каналу, или линии Ethernet или другому виду канала связи.

[0028] В соответствии с примером модуль 7 синхронизации выполнен с возможностью периодической передачи сигнала S1 синхронизации в форме импульса, который принимает устройство 8 для измерения тока и устройство 9 для измерения напряжения. В качестве примера, канал 11 синхронизации представляет собой проводную линию передачи или может быть беспроводной линией связи.

[0029] Устройство 8 для измерения тока содержит датчик 12 тока, подсоединенный к электрическому выводу первой нагрузки 5 и к устройству 13 для измерения тока (CM). Датчик 12 тока может представлять собой, в качестве примера, трансформатор тока, пояс Роговского, устройство, работающее по принципу эффекта Холла.

[0030] Устройство 13 для измерения тока является цифровым прибором, выполненным с возможностью приема из датчика 12 тока первого обнаруженного электрического сигнала Si(t) (такого как сигнал тока или сигнал напряжения), соотнесенного с током I(t), подаваемым в первую нагрузку 5.

[0031] Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.2, устройство 13 для измерения тока обеспечено первым модулем 14 приемопередатчика (TRX), первым модулем 15 обработки (PRC), первым счетчиком 16 (CNT) и первым модулем 17 преобразования (CONV), которые можно реализовать с помощью одного или более модулей аппаратных средств и/или программных средств.

[0032] Первый модуль 17 преобразования выполнен с возможностью обработки первого обнаруженного электрического сигнала Si(t) для выполнения нормирования сигнала и аналого-цифрового преобразования. Аналого-цифровое преобразование первого обнаруженного электрического сигнала Si(t) содержит этапы дискретизации, квантования и кодирования, которые выполняются для того, чтобы получить набор цифровых значений тока, представляющих ток I(t) в соответствующем временном интервале измерения. В качестве примера цифровые значения DI тока, представляющие ток I(t), получаются для временного интервала измерения, равного одному периоду тока I(t) или целому числу таких периодов.

[0033] В частности, во время работы модуль 17 преобразования устройства 13 для измерения тока обеспечивает следующий набор из N выборок (и соответствующих цифровых значений) тока I(t):

[0034] N выборок I_n отбираются в начальный момент T_sti с временным интервалом между выборками, равным δt. Можно предположить, что T_sti равен 0 без потери общности.

[0035] Первый модуль 15 обработки выполнен с возможностью вычисления преобразования Фурье измеренного тока I(t). В частности, первый модуль 15 обработки выполнен с возможностью приема набора цифровых значений DI тока и вычисления дискретного преобразования Фурье путем обеспечения множества коэффициентов дискретного преобразования Фурье.

[0036] Более конкретно, первый модуль 15 обработки выполнен с возможностью вычисления из выборок I_n, принятых из модуля 17 преобразования дискретного преобразования Фурье в комплексной форме путем обеспечения множества комплексных коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ), которые можно хранить в памяти первого модуля 15 обработки. Предпочтительно, вычисление ДПФ выполняется с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

[0037] В качестве примера, комплексные коэффициенты БПФ I_k вычисляются в комплексной форме в виде:

[0038] Комплексные коэффициенты БПФ можно выразить в действительной форме, как показано ниже:

[0040] Как видно из выражения (3), вычисление БПФ эквивалентно разложению исходного сигнала в конечный набор синусоид (каждый из которых имеет различную амплитуду, частоту и фазу), сумма которых дает исходный сигнал.

[0041] Более того, преобразование Фурье можно выразить таким образом, что для каждой частоты, которая является целым числом, кратным основной частоте сигнала, существуют две синусоиды: одна с нулевой фазой в начальный момент времени измерения (то есть времени, когда берется первая выборка сигнала), а другая со сдвигом фазы на 90 градусов. Эти две синусоиды упоминаются как "в фазе" составляющая и "сдвиг по фазе на 90°" составляющая для каждой частоты. БПФ обеспечивает в результате амплитуды двух синусоид. Такие амплитуды упоминаются также как "действительные" и "мнимые" составляющие. Данная форма выражения результата БПФ известна как комплексное представление БПФ или комплексное БПФ.

[0042] Таким образом, составляющую Re(I_k) "в фазе" и составляющую Im(I_k) "сдвиг по фазе на 90°" можно выразить в виде, показанном ниже:

[0045] Следует отметить, что, если исходный сигнал I(t) или Si(t) является чистой синусоидой (как и в случае сигнала переменного тока без гармоник), только действительные и мнимые составляющие, которые относятся к основной частоте, являются ненулевыми. Все другие результаты БПФ равны нулю. Соотношение между амплитудами действительных и мнимых составляющих зависит от начальной фазы в начальный момент времени (T_sti) измерения.

[0046] Первый модуль 14 приемопередатчика выполнен с возможностью приема сигнала S1 синхронизации (через канал 11 синхронизации) из модуля 7 синхронизации и передачи цифровых значений, обеспеченных с помощью модуля 15 обработки в направлении модуля 10 обработки.

[0047] Первый модуль 15 обработки подсоединен к первому счетчику 16 для вычисления первого значения Δ1 запаздывания, представляющего смещение по времени между моментом измерения, связанным с мерой тока I(t), и моментом приема сигнала S1 синхронизации в устройстве 13 для измерения тока. Первый счетчик 16 подсоединен к генератору синхронизирующих импульсов первого модуля 15 обработки.

[0048] Более конкретно, первое значение Δ1 запаздывания может представлять собой временное запаздывание между моментом T_rx приема сигнала S1 синхронизации в устройстве 13 для измерения тока и последующим начальным моментом T_sti процесса измерения, выполняемого устройством 13 для измерения тока:

[0049] Начальный момент T_sti может представлять собой момент, в котором первое цифровое значение обнаруженного электрического сигнала Si(t) дискретизируется устройством 13 для измерения тока в интервал измерения, имеющий предварительно установленную продолжительность.

[0050] В соответствии с другим примером первое значение Δ1 запаздывания представляет собой временное запаздывание между начальным моментом T_sti процесса измерения и последующим моментом T_rx приема:

[0051] В соответствии с дополнительным примером, первое значение Δ1 запаздывания представляет собой временное запаздывание между моментом T_rx приема сигнала S1 синхронизации и последующим конечным моментом T_edi интервала измерения в виде:

[0053] Конечный момент T_edi может представлять собой момент, в котором последнее цифровое значение обнаруженного электрического сигнала Si(t) дискретизируется с помощью устройства 13 для измерения тока в интервале измерения.

[0054] Более того, первый модуль 14 приемопередатчика подсоединен к каналу 18 передачи данных, такому как проводная линия передачи или беспроводная линия связи. Канал 18 передачи данных позволяет обмен данными между устройством 13 для измерения тока и модулем 10 обработки, такой как передача множества комплексных коэффициентов ДПФ тока и первого значения Δ1 запаздывания. Например, это может быть соединение типа Ethernet или последовательная линия связи.

[0055] Согласно другому варианту осуществления канал 18 передачи данных используется также для передачи сигнала S1 синхронизации в форме сигнала, подходящего для распространения по упомянутому каналу передачи данных. Сигнал S1 синхронизации, переданный по каналу 18 передачи данных, может представлять собой цифровой пакет, который, можно различить из пакетов передачи данных, и в данном случае канал 11 синхронизации можно опустить.

[0056] В соответствии с описанным примером устройство 9 для измерения напряжения содержит датчик 19 напряжения и устройство 20 для измерения напряжения. Датчик 19 напряжения подсоединен между первой линией 3 и второй линией 4 электрической цепи 1 с образованием параллельного электрического соединения с первой нагрузкой 5 и второй нагрузкой 6 и обнаруживает электрическое напряжение V(t) между первой линией 3 и второй линией 4. В качестве примера, датчик 19 напряжения может представлять собой емкостной датчик или резистивный датчик.

[0057] Устройство 20 для измерения напряжения является цифровым прибором, выполненным с возможностью приема из датчика 19 напряжения второго обнаруженного электрического сигнала S_V(t) (такой как сигнал напряжения), соответствующего напряжению V(t), приложенному между первой и второй линиями 3 и 4.

[0058] Согласно примеру, показанному на фиг.3, устройство 20 для измерения напряжения содержит второй модуль 21 приемопередатчика (TRX), второй модуль 22 обработки (PRC), второй модуль 23 преобразования (CQNV) и, в качестве примера, второй счетчик 24.

[0059] Второй модуль 23 преобразования (который может быть аналогичным первому модулю 17 преобразования) выполнен с возможностью обработки второго обнаруженного электрического сигнала S_V(t) для выполнения нормирования сигнала и аналого-цифрового преобразования. Аналого-цифровое преобразование первого обнаруженного электрического сигнала S_V(t) содержит этапы дискретизации, квантования и кодирования, выполняемые для получения набора цифровых значений напряжения, представляющих напряжение V(t) в соответствующем интервале времени измерения.

[0060] В соответствии с представленным примером цифровые значения DV напряжения, представляющие напряжение V(t), получаются со ссылкой на временной интервал измерения, равный одному периоду переменного напряжения V(t) или целому числу таких периодов.

[0061] В частности, во время работы второй модуль 23 преобразования обеспечивает следующий набор выборок N напряжения V(t):

[0062] Второй модуль 22 обработки выполнен с возможностью вычисления преобразования Фурье измеренного напряжения V(t). В частности, второй модуль 22 обработки выполнен с возможностью приема набора цифровых значений напряжения и вычисления дискретного преобразования Фурье из упомянутого набора цифровых значений DV напряжения путем обеспечения множества коэффициентов дискретного преобразования Фурье. Более конкретно, второй модуль 22 обработки выполнен с возможностью вычисления дискретного преобразования Фурье в комплексной форме путем обеспечения множества комплексных коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ), которые могут храниться в памяти второго модуля 22 обработки. Предпочтительно, вычисление ДПФ выполняется с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

[0063] В качестве примера, комплексные коэффициенты V_k напряжения БПФ вычисляются в комплексной форме в виде:

[0064] Комплексные коэффициенты БПФ напряжения можно выразить в действительной форме как показано ниже:

[0066] Составляющую Re(V_k) "в фазе" и составляющую Im(V_k) "сдвиг по фазе на 90°" можно выразить в виде, показанном ниже:

[0069] Второй модуль 21 приемопередатчика выполнен с возможностью передачи цифровых значений, обеспеченных вторым модулем 15 обработки в направлении модуля 10 обработки посредством канала 18 передачи данных или другого подходящего канала.

[0070] В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фигурах, второй модуль 21 приемопередатчика выполнен с возможностью приема сигнала S1 синхронизации (через канал 11 синхронизации) из модуля 7 синхронизации и передачи цифровых значений, обеспеченных вторым модулем 22 обработки, в направлении модуля 10 обработки.

[0071] Второй модуль 22 обработки подсоединен ко второму счетчику 16 для вычисления второго значения Δ2 запаздывания, представляющего смещение по времени между моментом измерения, связанным с мерой напряжения V(t), и моментом приема сигнала S1 синхронизации в устройстве 20 для измерения напряжения. Второй счетчик 16 подсоединен к генератору синхронизирующих импульсов второго модуля 22 обработки.

[0072] Более конкретно, второе значение Δ2 запаздывания может представлять собой временное запаздывание между моментом T_rx приема сигнала S1 синхронизации в устройстве 20 для измерения напряжения и последующим начальным моментом T_stv процесса измерения, выполняемого устройством 20 для измерения напряжения:

[0073] Начальный момент T_stv определяется методом, аналогичным определению, которое обеспечено выше, начального момента T_sti измерения тока. Следует отметить, что для всех практических целей время распространения сигнала S1 синхронизации, необходимое для достижения устройства 20 для измерения напряжения, равно времени распространения, необходимого для достижения устройства 13 для измерения тока с тем, чтобы сигнал достигал устройства 20 для измерения напряжения и устройства 13 для измерения тока в один и тот же момент T_rx приема.

[0074] В соответствии с другим примером второе значение Δ2 запаздывания можно вычислить согласно следующему выражению (15), которое является аналогичным формуле (7):

[0075] В соответствии с дополнительным примером второе значение Δ2 запаздывания является временным запаздыванием между моментом T_rx приема сигнала S1 синхронизации и последующим конечным моментом T_edv интервала измерения напряжения, как это выражено следующей формулой:

[0077] Конечный момент T_edv можно определить методом, аналогичным определению конечного момента T_edi, представленному выше со ссылкой на измерение тока.

[0078] Как описано со ссылкой на устройство 20 для измерения тока, канал 18 передачи данных можно также использовать для передачи сигнала S1 синхронизации во второй приемопередатчик 21 устройства 20 для измерения напряжения вместо канала 11 синхронизации.

[0079] Следует отметить, что в соответствии с другим вариантом осуществления модуль 7 синхронизации может быть встроен в устройство 9 для измерения напряжения или в устройство 8 для измерения тока. Предпочтительно, модуль 7 синхронизации встроен в устройство 9 для измерения напряжения. В этом случае, вычисление второй временной запаздывания Δ2 можно опустить, поскольку измерение напряжения можно непосредственно синхронизировать с сигналом S1 синхронизации, который является локальным сигналом.

[0080] Со ссылкой на фиг.1, модуль 10 обработки выполнен с возможностью обработки множества комплексных коэффициентов ДПФ тока и первого значения Δ1 запаздывания, принятого из устройства 8 для измерения тока, и выработки соответствующего множества сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье тока, представляющих синхронно измеренный ток. В частности, множество сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье тока представляет собой коэффициенты, представляющие измеренный ток I(t), как если бы такой ток был измерен в интервале измерения, синхронизированном с моментом приема сигнала S1 синхронизации в устройстве 8 для измерения тока.

[0081] В качестве примера, модуль 10 обработки выполнен с возможностью применения к коэффициентам I_k преобразования Фурье тока из выражения (2) сдвиговой обработки согласно теореме циклического сдвига дискретного преобразования Фурье для того, чтобы получить сдвинутые по времени коэффициенты I'_k преобразования Фурье тока:

[0082] Коэффициенты I'_k представляют собой коэффициенты, которые будут получены из выборок одного и того же сигнала I(t), соответствующего процессу измерения, имеющему начальный момент или конечный момент в момент t = T_rx, то есть синхронизированный с моментом приема сигнала S1 синхронизации.

[0083] Выражение (17) показывает линейный фазовый показатель -ikw, применяемый к каждому коэффициенту I_k. Выражение (17) можно переписать в виде:

[0084] В этом выражении ω является угловым запаздыванием, соответствующим первому запаздыванию Δ1 на основной частоте:

[0086] На практике комплексное выражение (13) преобразуется в действительные члены:

[0087] Поэтому коэффициенты ДПФ в фазе и сдвинутые по фазе на 90° по времени представляют собой:

[0089] В том случае, когда рассматривается второе значение Δ2 запаздывания, модуль 10 обработки выполнен с возможностью обработки множества комплексных коэффициентов ДПФ напряжения и второго значения Δ2 запаздывания, принятого из устройства 9 для измерения напряжения, и выработки множества сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье напряжения, представляющих синхронизированное измеренное напряжение.

[0090] В частности, множество сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье напряжения представляет собой коэффициенты, представляющие измеренное напряжение V(t), так как упомянутое напряжение измеряется в интервале измерения, синхронизированном с моментом приема сигнала S1 синхронизации в устройстве 9 для измерения напряжения. Вышеупомянутую теорему циклического сдвига дискретного преобразования Фурье можно применить для получения сдвинутых по времени коэффициентов V'_k преобразования Фурье напряжения:

[0091] где W – угловое запаздывание, соответствующее второму запаздыванию Δ2 на основной частоте:

[0093] На практике комплексное выражение (23) преобразуется в действительные члены:

[0094] Поэтому коэффициенты БПФ в фазе и сдвинутые по фазе на 90° по времени представляют собой:

[0096] Модуль 10 обработки выполнен с возможностью вычисления активной мощности P(t), протекающей в первой нагрузке 5. Активная мощность, протекающая в электрической цепи, равна произведению тока на напряжение, как в формуле P(t) = V(t)⋅I(t). Для цепей переменного тока измерение мощности производится в течение одного полного цикла или, возможно, целого числа циклов.

[0097] В частности, модуль 10 обработки выполнен с возможностью выполнения произведения выборки за выборкой двух сигналов, представляющих электрические величины I(t) и V(t) путем применения соответствующих сдвинутых по времени коэффициентов ДПФ согласно теореме Планшереля:

[0098] Применяя выражения (21), (22), (26) и (27), выражение (28) упрощается до вида:

[0099] Если второе значение Δ2 запаздывания не вычислено, модуль 10 обработки производит оценку выражения (29), используя коэффициенты из формул (12) и (13) со ссылкой на коэффициенты ДПФ напряжения V(t) вместо формул (26) и (27).

[00100] Ниже, со ссылкой на фигуры 4 и 5, будет описан первый пример способа работы. Согласно этому первому примеру сигнал S1 синхронизации имеет функцию обеспечения привязки по времени для процесса измерения и получения, выполняемого устройством 8 для измерения тока и/или устройством 9 для измерения напряжения. В последующем описании сделана ссылка на устройство для измерения тока.

[00101] На фиг.4 показаны три схемы: схема 4a), которая относится к сигналу S1 синхронизации, схема 4b), которая относится к обработке, выполняемой в устройстве 8 для измерения тока, и схема 4c), которая относится к этапу получения выборки в устройстве 8 для измерения тока со смещением по времени согласно уравнению (7). На фиг.5 показана блок-схема 200 последовательности операций, иллюстрирующая некоторые этапы работы устройства 8 для измерения тока.

[00102] После символического начального этапа 101 первый счетчик 16 сбрасывается и активируется для того, чтобы выполнить этап 102 подсчета (CNT-ST): указатели сбрасываются, и в начальный момент начинается получение и дискретизация данных.

[00103] В начальный момент устройство 8 для измерения тока получает первое цифровое значение, соответствующее первой выборке тока I(t), и получение других выборок (как определено формулой (1)) продолжается далее в интервале T-ACQ получения (фиг.4c). Более того, первый модуль 15 обработки сохраняет первую полученную цифровую выборку на этапе 104 хранения (STR-SAMP), как показано на фиг.5, и получает последующие выборки до тех пор, пока не будет получена последняя выборка N-1, как установлено с помощью средств на этапе 105 IF (LSTS-AMP).

[00104] Если во время получения принимается сигнал S1 синхронизации (например, импульс P1 или телеграмма TR1), в момент T_rx приема сохраняется значение тока первого счетчика 16 устройства 13 для измерения тока. Это обеспечивает измерение смещения Δ1 согласно формуле (7).

[00105] В течение временного интервала T-PRO (фиг.4b) сигнал S1 синхронизации обрабатывается для того, чтобы проверить отсутствие ошибок. В случае если канал 18 передачи данных используется также в целях синхронизации, этот процесс также используется для проверки относительно того, является ли телеграмма TR1, связанная с сигналом S1 синхронизации, типом синхронизации.

[00106] Как показано на фиг.4b, первый модуль 15 обработки сохраняет, в интервале T-STR обработки, первое значение Δ1 запаздывания, полученное с помощью первого счетчика 16. Сохранение первого значения Δ1 запаздывания предпочтительно происходит в конце получения N-1 выборок.

[00107] Альтернативно, вычисление первого значения Δ1 запаздывания можно произвести со ссылкой на конечный момент времени T_edi согласно выражению (8).

[00108] Более того, на этапе 106 вычисления ДПФ (DFT-COMP) первый модуль 15 обработки выполняет вычисление комплексных коэффициентов ДПФ, как определено вышеупомянутыми выражениями (4) и (5) (предпочтительно, посредством алгоритмов БПФ). Комплексные коэффициенты ДПФ и первое значение Δ1 запаздывания, вычисленные устройством 8 для измерения тока, обеспечиваются в модуль 10 обработки (как показано на фиг.1).

[00109] Устройство 9 для измерения напряжения работает методом, аналогичным устройству 8 для измерения тока, и обеспечивает модуль 10 обработки комплексными коэффициентами ДПФ согласно выражениям (12) и (13) со вторым значением Δ2 запаздывания, если оно рассматривалась.

[00110] Модуль 10 обработки выполняет вычисление сдвига по времени согласно вышеупомянутым выражениям (21) и (22), в результате которого получаются коэффициенты ДПФ в фазе и сдвинутые по фазе на 90° по времени с учетом тока I(t)

[00111] Относительно электрического напряжения V(t), если второе значение Δ2 запаздывания вычислено, модуль 10 обработки, выполняет вычисление сдвига по времени согласно вышеупомянутым выражениям (26) и (27), в результате которого получаются коэффициенты ДПФ в фазе и со сдвигом по фазе на 90°, сдвинутые по времени:

[00112] Более того, модуль 10 обработки вычисляет активную мощность P(t) посредством комплексных коэффициентов ДПФ, выраженных выше и соответствующих уже упомянутым выражениям (29):

[00113] Следует отметить, что после того, как станут известны коэффициенты ДПФ тока I(t) и напряжения V(t), в дополнение или альтернативно к активной мощности, можно вычислить другие электрические величины на основании коэффициентов ДПФ, такие как: среднеквадратичное (RMS) значение тока и напряжения, полную мощность, реактивную мощность (согласно нескольким имеющимся способам/определениям).

[00114] Вышеописанный способ можно также применить в трехфазных и многофазных системах за счет применения одинаковых процедур вычисления. В качестве примера, мощность в системе электрических шин, имеющей несколько трехфазных параллельных цепей, можно измерить с использованием только одного устройства для измерения трехфазного напряжения вместо одного на каждую цепь.

[00115] Вышеописанное устройство 2 для измерения электрических величин и соответствующий способ измерения обеспечивают несколько преимуществ. Описанное измерение электрической величины является в частности надежным, поскольку в нем не применяется форма волны сигнала электрической величины для отметки привязки по времени, в отличие от технологий, применяющих обнаружение пересечения нуля, на которое может влиять искажение сигнала.

[00116] Другое преимущество объясняется тем, что устройство 2 для измерения электрических величин может работать независимо от наличия гармоник в электрической величине, подлежащей измерению, что не сказывается на качестве результатов.

[00117] Следует отметить, что поскольку обычно в электрической системе существует ограниченное число гармоник, большая часть коэффициентов Фурье равна нулю. Устройство 2 для измерения электрических величин может работать при передаче только ненулевых дискретизированных значений. В качестве дополнительного преимущества уменьшаются требования к ширине полосы по отношению к необходимости передачи полного набора выборок по каналу связи.

[00118] В дополнение вычисленные коэффициенты Фурье доступны для дальнейшей обработки, такой как, например, вычисление активной мощности, реактивной мощности, полной мощности.

[00119] Более того, использование сигнала синхронизации, вырабатываемого модулем синхронизации и посылаемого в измерительное устройство, гарантирует, что не будут вноситься запаздывания, связанные с программными средствами, и последующие ошибки; поэтому преодолеваются проблемы, возникающие в микропроцессорных системах, где значения времени реализации алгоритмов программного обеспечения являются не предсказуемыми, так как они могут модифицироваться внезапно в результате аппаратных прерываний или политики планирования операционной системы.

Изобретение относится к измерению электрических величин. Способ (200) содержит этапы, на которых: подсоединяют измерительное устройство (8) к электрической цепи (1); передают сигнал (S1) синхронизации в направлении измерительного устройства (8); принимают сигнал (S1) синхронизации в измерительном устройстве (8); измеряют с помощью измерительного устройства электрическую величину (I(t)), связанную с упомянутой электрической цепью (1), и обеспечивают соответствующие коэффициенты преобразования Фурье, производят оценку значения (∆1) запаздывания, которое зависит от смещения по времени между моментом (T_sti) измерения, связанным с мерой электрической величины, и моментом (T_rx) приема сигнала (S1) синхронизации в измерительном устройстве (8); обрабатывают коэффициенты преобразования Фурье и значения (Δ1) запаздывания и обеспечивают сдвинутые по времени коэффициенты преобразования Фурье, представляющие первую синхронизированную измеренную электрическую величину. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (2) для измерения электрических величин, отличающееся тем, что оно содержит:

- модуль (7) синхронизации, выполненный с возможностью выработки сигнала (S1) синхронизации;

- первое измерительное устройство (8), подсоединяемое к электрической цепи (1) и выполненное с возможностью приема сигнала (S1) синхронизации и обеспечения:

первых коэффициентов преобразования Фурье, представляющих первую электрическую величину (I(t)), связанную с упомянутой электрической цепью,

первого значения (Δ1) запаздывания, которое зависит от смещения по времени между моментом (T_sti) измерения, связанным с мерой первой электрической величины, и моментом (T_rx) приема сигнала (S1) синхронизации в первом измерительном устройстве (8);

- модуль (10) обработки, выполненный с возможностью обработки первых коэффициентов преобразования Фурье и первого значения запаздывания и обеспечения первых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье, представляющих первую синхронизированную измеренную электрическую величину.

2. Устройство (2) по п.1, в котором упомянутое первое измерительное устройство (8) выполнено с возможностью обеспечения первых коэффициентов преобразования Фурье в качестве комплексных коэффициентов дискретного и быстрого преобразования Фурье.

3. Устройство (2) по п.2, в котором упомянутое первое измерительное устройство (8) выполнено с возможностью обеспечения первых коэффициентов преобразования Фурье в качестве комплексных коэффициентов дискретного и быстрого преобразования Фурье.

4. Устройство (2) по п.2, в котором модуль (10) обработки выполнен с возможностью применения к первым коэффициентам преобразования Фурье сдвиговой обработки согласно теореме циклического сдвига дискретного преобразования Фурье для того, чтобы получить первые сдвинутые по времени коэффициенты преобразования Фурье.

5. Устройство (2) по п.4, в котором упомянутое первое измерительное устройство (8) является одним из следующих устройств: устройство для измерения электрического тока, устройство для измерения электрического напряжения.

6. Устройство (2) по п.5, дополнительно
содержащее второе измерительное устройство (9), подсоединенное к электрической цепи (1) и принадлежащее следующей группе: устройство для измерения электрического тока, устройство для измерения электрического напряжения; причем упомянутое второе измерительное устройство (9) выполнено с возможностью приема упомянутого сигнала (S1) синхронизации и обеспечения вторых коэффициентов преобразования Фурье, представляющих вторую электрическую величину (V(t)), связанную с упомянутой электрической цепью (1).

7. Устройство (2) по п.6, в котором:

второе измерительное устройство (9) выполнено с возможностью выработки второго значения запаздывания, которое зависит от дополнительного смещения по времени между дополнительным моментом измерения, связанным с мерой второй электрической величины (V(t)), и моментом приема сигнала (S1) синхронизации во втором измерительном устройстве (9);

модуль (10) обработки выполнен с возможностью обработки вторых коэффициентов преобразования Фурье и второго значения запаздывания и обеспечения вторых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье, представляющих вторую синхронизированную измеренную электрическую величину.

8. Устройство (2) по п.6 или 7, в котором упомянутый модуль (10) обработки выполнен с возможностью обработки первых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье и вторых коэффициентов преобразования Фурье или вторых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье для получения соответствующей измеренной электрической мощности.

9. Устройство (2) по п.8, в котором модуль (10) обработки выполнен с возможностью обработки первых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье и вторых коэффициентов преобразования Фурье или вторых сдвинутых по времени коэффициентов преобразования Фурье для получения одной из следующих величин: среднеквадратичное (RMS) значение тока и напряжения, полная электрическая мощность, реактивная электрическая мощность.

10. Устройство (2) по п.1, в котором упомянутое измерительное устройство обеспечено:

модулем (14) приемопередатчика, выполненным с возможностью приема упомянутого сигнала (51) синхронизации;

модулем (16) счетчика, выполненным с возможностью вычисления первого значения (Δ1) запаздывания,

модулем (17) преобразования, выполненным с возможностью обеспечения множества цифровых значений, представляющих упомянутую первую электрическую величину (I(t)) в интервале измерения; причем упомянутый момент (T_sti) измерения представляет собой начальный момент, в который было дискретизировано первоначальное цифровое значение множества цифровых значений.

11. Устройство (2) по п.1, в котором упомянутый момент измерения представляет собой конечный момент, в котором было дискретизировано последнее цифровое значение из множества цифровых значений.

12. Устройство (2) по п.1, в котором упомянутый модуль (14) приемопередатчика подсоединен к модулю (10) обработки с помощью канала (18) передачи данных.

13. Устройство (2) по п.12, в котором упомянутый модуль (14) приемопередатчика подсоединен к модулю (7) синхронизации с помощью упомянутого канала (18) передачи данных.

14. Устройство (2) по п.12, в котором упомянутый модуль (14) приемопередатчика подсоединен к модулю (7) синхронизации с помощью канала (11) синхронизации, который отличается от упомянутого канала (18) передачи данных.

15. Способ (200) измерения электрической величины, отличающийся тем, что он содержит этапы, на которых:

подсоединяют измерительное устройство (8) к электрической цепи (1);

передают сигнал (S1) синхронизации в направлении измерительного устройства (8);

принимают сигнал (S1) синхронизации в измерительном устройстве (8);

измеряют с помощью измерительного устройства электрическую величину (I(t)), связанную с упомянутой электрической цепью (1), и обеспечивают соответствующие коэффициенты преобразования Фурье,

производят оценку значения (Δ1) запаздывания, которое зависит от смещения по времени между моментом (T_sti) измерения, связанным с мерой электрической величины, и моментом (T_rx) приема сигнала (S1) синхронизации в измерительном устройстве (8);

обрабатывают коэффициенты преобразования Фурье и значения (Δ1) запаздывания и обеспечивают сдвинутые по времени коэффициенты преобразования Фурье, представляющие первую синхронизированную измеренную электрическую величину.