DE2640252A1 - Verfahren zur messung elektrischer wirkleistung und energie - Google Patents

Verfahren zur messung elektrischer wirkleistung und energie

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DE2640252A1
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DE19762640252
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Robert Dr Ing Massen
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Heliowatt Werke Elektrizitaet GmbH
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Heliowatt Werke Elektrizitaet GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/133Arrangements for measuring electric power or power factor by using digital technique
    • G01R21/1331Measuring real or reactive component, measuring apparent energy

Description

  • Verfahren zur Messung elektrischer Wirkleistung
  • und Energie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung elektrischer Wirkleistung und Energie durch Produktbildung von Spannung und Strom, deren Größen in zufällige Pulsfolgen mit einem der Spannung und dem Strom proportionalen Zeitmittelwert umgesetzt werden.
  • Es ist bekannt, zur elektrischen Wirkleistungsmessung elektronische Meßverfahren anzuwenden, welche eine Umsetzung von Spannung und Strom in äe eine Pulsfolge oder Pulszahlenfolge mit einem zur Spannung und zum Strom proportionalen Zeitmittelwert und die Produktbildung durch eine logische Verknüpfung dieser Pulsfolgen vornehmen (siehe z. B. OE-PS 290 664, DT-AS 2 233 622). Diese Verfahren sind vor allem zur Messung der Energie eines Verbrauchers über größere Zeiträume hinweg gedacht, wie sie z. B. bei Elektrizitätszählern gegeben ist.
  • Das Meßergebnis wird durch zeitliche Integration der dem Produkt von Spannung und Strom entsprechenden Pulsfolge gewonnen und üblicherweise nur in sehr großen Zeitabständen abgefragt.
  • Bei der Anwendung auf die Messung der momentanen Wirkleistung bzw. der Energie über kurze Zeiträume bildet die infolge der dann notwendigerweise kurzzeitigen Integration über dem Ergebnis verbleibende Meßwertstreuung eine wesentliche, nicht vernachlässigbare Fehlerquelle bei diesen Verfahren.
  • Bei den bekannten Verfahren werden die bipolaren Momentan-oder Abtastwerte von Spannung und Strom mit einer linearen Kennlinie in die Wahrscheinlichkeit P (x=L) = p(x) und P(y=L) = p(y) der der Spannung zugeordneten zufälligen Pulsfolge x(tk) {,L} und der dem Strom zugeordneten Pulsfolge y(tk)ç$,L} umgesetzt.
  • Die Produktbildung erfolgt im Bereich der Wahrscheinlichkeiten durch logische Verknüpfung, z. B. mit Hilfe eines Äquivalenzgatters und ergibt eine Pulsfolge Z(tk) mit der Pulswahrscheinlichkeit: cos # + Wechselterme~Pwirk (,t) (2) Durch zeitliche Integration dieser Pulsfolge wird das MeßergebnisPwirk gewonnen. Erstreckt sich die Integrationsdauer über längere Zeiträume, so ist das Meßergebnis proportional der Energie über diesen Zeitraum.
  • Eine genauere Betrachtung zeigt, daß die Wahrscheinlichkeit p(z) einen statistischen Parameter darstellt und damit keine meßbare Größe im eigentlichen Sinne ist. Es läßt sich vielmehr durch Mittelwertbildung, sprich Integration, über sehr viele Taktzeitpunkte lediglich ein Schätzwert für den statistischen Parameter p(z) gewinnen. Dieser Schätzwert streut auch bei konstantem p(z) in zufälliger Weise von Messung zu Messung. Die Standardabweichung beträgt für den Fall rein zufälliger Pulsfolgen bei der Integration über N Proben und ist damit maximal für den Fall p = 0,5 (Fig. 1). Ein wesentlichterNachteil dieser Verfahren ist es daher, daß die Meßwertstreuung gerade für den in der Praxis der Wirkleistungs- und Energiemessung am häufigsten vorkommenden Fall von im Vergleich zum Meßbereichsende kleinen Leistungen am größten ist.
  • Nur bei zeitlicher Integration über sehr viele Proben N ist diese Streuung vernachlässigbar. Bei der Messung über kürzere Zeiträume, insbesondere bei der Messung der Momentanleistung in dicht aufeinanderfolgenden Zeitabständen schränkt dieser statistische Fehler die erreichbare Genauigkeit stark ein. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung elektrischer Wirkleistung und Energie durch Produktbildung von Spannung und Strom zu schaffen, die die Nachteile vermeidet, welche sich aus der Meßwert streuung ergeben.
  • Diese Aufgabe ist durch die Erfindung gelöst, wie sie in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche dargelegt ist.
  • In den Zeichnungen Fig. 2 bis Fig. 4 ist die Erfindung anhand eines Beispiels dargestellt. Das Vorzeichen vom Spannungs-und vom Stromsignal wird durch die Vorzeichenerkennung 1 in Fig. 2 erkannt und als logisches Binärsignal auf die beiden UND-Gatter 2 und 3 gegeben. Bei positivem Vorzeichen wird das Signal über den Komparator 4 mit der Rauschspannungsquelle UR 7 verglichen und die resultierende Pulsfolge auf den Leiter Agegeben. Bei negativem Vorzeichen wird das Signal invertiert 6 und über den Komparator 5 mit der Rauschspannungsquelle 7 verglichen, wobei die erzeugte Pulsfolge den Leiter B beaufschlagt.
  • Der Inverter kann eingespart werden, wenn - wie in Fig. 3 gezeigt - die Anschlüsse am Komparator 5 vertauscht werden. In Fig. 4 ist eine andere Variante gegeben, welche neben der Vorzeichenerkennung einen Vollweggleichrichter verwendet und mit einem Komparator auskommt. Die Umsetzerkennlinie lautet in allen Fällen: Es ergibt sich daher folgender Zusammenhang: Bei Signal Null ist die Wahrscheinlichkeit eines Pulses auf beiden Leitern A und B gleich Null Der Verlauf der Standardabweichung bei der Schätzung von U und I aus der Differenz der jeweiligen Pulswahrscheinlichkeiten ergibt sich durch bereichsweise Anwendung von G1. (3) und ist in Fig. 5 qualitativ wiedergegeben. Das besondere Kennzeichen ist, daß bei Signal Null die Standardabweichung minimal, und zwar Null, ist. Die Produktbildung von U und I wird durch logische Verknüpfung der vier Pulsfolgen ds Bx und 8 By so durchgeführt, daß dieses Merkmal auch beim Produktausdruck "Wirkleistung" erhalten bleibt.
  • Die Verknüpfung liefert die zwei Folgen Az und Bz mit den Wahrscheinlichkeiten Das hierzu erforderliche Netzwerk ergibt sich aus der tberlegung, daß der positiv bewertete Leiter Az nur dann eine logische EINS führen darf, wenn U und I beide positiv oder beide negativ sind: Entsprechend muß Bz logisch EINS sein, wenn U und I entgegengesetzte Vorzeichen haben: Eine Lösungsmöglichkeit ist in Fig. 6 wiedergegeben. Die Anwendung des Multiplikationssatzes und des Additionssatzes für sich ausschließende Ereignisse auf Gl. (7) und (8) ergibt: Das Netzwerk führt also wie verlangt die Multiplikation von U und I durch. Der Verlauf der über zurNK'fp(A) - P(Bz)1 verbleibenden Streuung bei der Schätzung der beiden Wahrscheinlichkeiten p(Az) und p(Bz) läßt sich durch Anwendung von Gl. (3) jeweils getrennt auf die positive und negative Abszisse finden und ist qualitativ in Fig. 7 wiedergegeben. Für den besonders kritischen Fall P,i, '0 ist die Streuung minimal und gleich Null. In der Praxis werden Wirkleistungsmessungen meistens im unteren Meßbereich durchgeführt, und es ist daher besonders wichtig, daß hier der statistische Fehler möglichst klein ist.
  • Die beschriebene Erfindung bedeutet unter diesem Gesichtspunkt einen erheblichen Fortschritt gegenüber den bekannten Verfahren, welche im unteren Meßbereich maximale Streuung aufzeigen. Damit sind bei gleicher Integrationszeit wesentlich genauere Meßresultate erzielbar, oder aber es können bei gleichbleibender Genauigkeit wesentlich kürzere Integrationszeiten verwendet werden. Die erforderliche Meßzeit wird dadurch entscheidend verringert, so daß auch kurze Momentanwerte eines zeitlich veränderlichen Leistungsverlaufs erfaßt werden können.
  • Die Fig. 8 zeigt das gesamte Schaltbild. Die Integration und die Subtraktion wird mittels eines Vor-Rückwärts-Zählers 1 vorgenommen. Durch die Umsetzer 2 und 3 werden die Spannung U und der Strom I umgesetzt und dem logischen Verknüpfungsnetzwerk 4 zur Produktbildung zugeführt.
  • Die Fig. 9 zeigt ein Schaltbild, bei dem gegenüber der Fig. 8 ein Umsetzer weniger benötigt wird, indem die Spannung und der Strom nacheinander mit einer Tastfrequenz t, e abgetastet werden.
  • Eine Zwischenspeicherung vor der Produktbildung wird mittels zweier 1-Bit-Speicher 3 vorgenommen.

Claims (3)

  1. neue Patentansprüche: Verfahren zur Messung elektrischer Wirkleistung und Energie durch Produktbildung von Spannung und Strom, deren Größen in zufällige Pulsfolgen mit einem der Spannung und dem Strom proportionalen Zeitmittelwert umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Vorzeichenkennung (1, Fig. 1), zweier Komparatoren (4, 5), einer Rauschspannungsquelle (7) und eines logischen Netzwerkes (2, 3) die positiven und die negativen Signalanteile von Spannung (U) und Strom (1) in Pulsfolgen (Ax, Bx, Ay, By) gewandelt werden, bei denen die Differenz der Pulswahrscheinlichkeiten der der Spannung und der dem Strom zugeordneten vier Pulsfolgen (Ax, Bx, Ay, By) vorzeichenrichtig proportional zur Spannung und zum Strom sind, daß durch ein weiteres Verknüpfungsnetzwerk (Fig. 6) diese vier Pulsfolgen (Ax, Bx, Ay, By) derart verknüpft werden1 daß die Differenz der Pulswahrscheinlichkeiten der daraus resultierenden Pulsfolgen (Az, Bz) proportional dem Produkt von Spannung und Strom ist und daß mittels eines Vor-Rückwärts-Zählers (4, Fig. 8, 9) aus den Pulsfolgen (Az, Bz) das Meßergebnis gewonnen wird.
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt zweier Komparatoren (4, 5) ein Komparator mit vorgeschaltetem Vollweggleichrichter (Fig. 4) verwendet wird.
  3. 3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- und Spannungswerte nacheinander abgetastet durch einen Umsetzer (2, Fig. 9) umgesetzt und über Zwischenspeicher (3) dem logischen Verknüpfungsnetzwerk (4) zur Produktbildung zugeführt werden.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3603427A1 (de) * 1986-02-05 1987-08-06 Martin Dipl Ing Kahmann Elektronische multiplizierschaltung
WO2015184616A1 (en) * 2014-06-05 2015-12-10 Honeywell International Inc. Power metering transducer system

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US10884040B2 (en) 2014-06-05 2021-01-05 Honeywell International Inc. Power metering transducer system
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