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Verfahren zur Messung elektrischer Wirkleistung und
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Energie mit Kompensation Abtastze i tfeh lern.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Wirkleistung
und Energie durch Produktbildung von Spannung und Strom, insbesondere für Elektrizitätszähler.
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Es ist bekannt, zur elektrischen Energie- und Wirkleistungsmessung
an elektrischen Gleich- und Wechselstromnetzen anstelle von mechanischen elektronische
Zähler zu verwenden. Hierzu wird eine Umsetzung von Spannung und Strom in je eine
bzw. in mehrere parallel geführte Pulsfolgen mit einem zur Spannung bzw. zum Strom
proportionalen Zeitmittelwert und die Produktbildung mit Hilfe einer logischen Verknüpfung
durchgeführt (z,B Deutsche Auslegeschrift 2 233 622).
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Ferner ist bekannt, statt für die Umsetzung der Spannungs- und Stromphasen
je einen Umsetzer zu verwenden, mit Hilfe eines elektronischen Abtasters Abtastwerte
von Spannung und Strom einem einzigen Umsetzer zuzuführen. Dabei wird ein umgesetzter
Abtastwert, z.B. die Spannung, in einem digitalen Speicher bis zur erfolgten Umsetzung
des zugehörigen Stromabtastwertes zwisdengespeichert. Die zur Bildung der Leistung
erforderliche Produktbildung wird mit einem logischen Verknüpfungsnetzwerk, z.B.
einer Aquivalenzschaltung, durchgeführt und die so erzeugten Pulse einem Zähler
zur Integration zugeführt (DT-Patentanmeldung P 2558563.1, P 2613111.3).
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Die Verwendung eines elektronischen Abtasters bringt zwar eine bedeutende
Ersparnis an Umsetzern, bedingt aber einen Zeitfehler, welcher dadurch entsteht,
daß die Abtastwerte nicht mehr zum selben Zeitpunkt dem Spannungs-und Stromsignal
entnommen werden, sondem um mindestens einen Abtasttakt zeitlich auseinanderliegen
(Fig. 1). Nur wenn diese Taktperiode tab sehr klein ist (bei 50 Hz-Signalen in der
Größenordnung von Mikrnsekunden bei den vorgeschriebenen Zählergenauigkeiten) ,
kann der aus diesem Zeitversatz resultierende Fehler im gebildeten Produktausdruck
vernachlssigt werden.
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Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist daher, daß zum Vermeiden
von Zeitfehlern infolge nicht gleichzeitigen Abtastens von Strom und Spannung mit
sehr hohen Abtastfrequenzen gearbeitet werden muß. Die nachfolgende Umsetzung und
Produktbildung muß ebenfalls entsprechend schnell durchgeführt werden. Derart hochfrequente
Scholtungen sind beim derzeitigen Stand der Technik, wenn uberhaupt, so nur mit
großem Aufwand integriert zu verwirklichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren
zur Messung von Wirkleistung und Energie durch Produktbildung von Spannung und Strom,
insbesondere für elektronische Energiezahler, zu schaffen.
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Hierbei wird von einer Umsetzung von Abtastwerten von Spannung und
Strom in Pulsfolgen mit zur Spannung und zum Strom proportionalem Zeitmittelwert
ausgegangen. Die Erfindung soll die Nachteile der zur Verminderung von Abtastzeitfehlern
benötigten hohen Abtastfrequenzen vermeiden und verbleibende Abtastzeitfehler durch
eine lnterpolationsschal tung erheblich verringern.
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Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß mit Hilfe von digitalen Speichern
die Pulse zwischengespeichert und über mit dem Abtaster synchron umlaufende Schalter
unJ einem logischen Verknupfungsnetzwerk Pulse mit einer zu den interpolierten Spannungs-
und Stromabtastwerten proportionalen Wahrscheinlichkeit erzeugt werden und mit einer
weiteren logischen Verknüpfung eine Pulsfolge mit einer zum Produkt aus Interpolierten
und nicht interpolierten Pulsen proportionalen Pulswahrscheinlichkeit gewonnen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, die aus 5 Figuren
besteht, näher erläutert. Darin zeigen die Fig. 1 die zeitliche Abtastfolge von
Spannungs- und Stromsignalen zur Feststellung verbrauchter Energie, die Fig. 2 und
3 lnterpolationrnetzwerke, die Fig. 4 das Blockschaltblld eines Energiezahlers und
die Fig. 5 das Blockschaltbild eines Dreiphasen-Energiezahlers.
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Die Erfindung sei beispielhaft anhond eines Energiezahlers fUr ein-
und dreiphesige Spannungs- und Stromsignale beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt,
wird der abgetastete und umgesetzte Spannungswert U1 fur die Takte t2 und t3 im
Speicher USP (Fig. 4) zwischengespeichert, bis der umgesetzte Abtastwert
U3
vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt t3 wird der um einen Takt zwischengespeicherte Stromwert
12 mit dem interpolierten Spannungswert 0,5 . (U1+U3) multipliziert und das Produkt
an den Zähler zur Summierung weitergegeben.
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Das nächstfolgende Produkt besteht aus dem interpolierten Stromwert
0,5 (14+12), multipliziert mit dem Spannungswert U3. Während bei den bekannten Verfahren
durch die Produktbildung der Abtastpaare U1, 12; U3, 14 ein Zeitfehler £ über dem
gebildeten Produktausdruck entsteht # P = Ii(Ui-1 + # i) - Ii . U~1 = Ii Ei bzw.
Ui .£j (1) welcher sich bei der anschließenden Summation zur Bildung der Energie
nicht ausmittelt, ist der bei der Interpolation verbleibende Fehler E * sehr viel
geringer und wird zu Null, wenn sich das Signal linear zur Zeit verändert.
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Dies ist bei den üblichen Abtastraten für die Netzfrequenz in guter
Näherung erreichbar.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist, daß die zur Interpolation
erforder eichen Rechenoperationen an den bereits umgesetzten Abtastwerten mit Hilfe
eines logischen Netzwerks erfolgen. Die lineare lnterpolationsvorschrift C = 0,5(A+B)
läßt sich mit dem Netzwerk nach Fig. 2 durchführen. Die Pulsfolge mit der Wahrscheinlichkeit
p(A) wird durch UND-VerknUpfung mit einer von ihr statistisch unabhängigen Hilfsfolge
mit der Wahrscheinlichkeit p(H)=0,5 multipliziert, die Folge B wird mit der invertierten
Hilfsfolge H mit der Wahrscheinlichkeit p(H)=1-0,5=0,5 multipliziert. Durch diese
Verknüpfung schließen sich die beiden Folgen am Eingang des nachgeschalteten ODER-Gatters
gegenseitig aus, so daß man durch Anwendung des Additionssatzes für sich ausschließende
zufällige Ereignisse erhalt p(C) = 0,5(p(A)+p(B)) (2) Dieses Netzwerk gilt sowohl
für linear-umgesetzte unipolare Spannungs- und Stromsignale in die Wahrscheinlichkeit
einer Pulsfolge x(t) nach der Vorschrift u p(x = L) = K . Umax bzw. p(x = L) = K
. L (3) lmax wie auch fur linear umgesetzte bipolare Signale mit der Abbildungsvorschrift
p(x = L) = Umax + 1) bzw. p(x = L) + + 1) (4)
Bei bipolaren Signalen,
welche in die Differenz der Wahrscheinlichkeiten von zwei Pulsfolgen x(t) und y(t)
nach der Vorschrift
| K . U/Umax, U # 0 |
| px = L) = {K . U/U max,U , U#0 |
| (5) |
| P(Y = L) = K . |~U| 1-Ul , U>0 |
| Umax u#0 |
umgesetzt worden sind, ist ein Interpolationsnetzwerk nach Fig. 3 verwendbar. Die
lnterpolationsvorschrift p(x3) - p(y3) = 0,5£(p(xl)-p(yl)> + (p(x2)-p(y2))/ (6)
läßt sich auf einen Ausdruck p(x3) - p(y3) = 0,5 p(x1) + p(x2) - p(yl) + p(y2)7
#p(x3) = 0,5 . #p(x1)+ + p(x2)j (7) #p(y3) = 0,5 . Dp(yl) + p(y2)] zuruckzuführen.
Da bei dieser Abbildungsvorschrift die beiden Leiter xi und y; nie gleichzeitig
logisch Eins sein dürfen, muß dafür gesorgt werden, daß die beiden Ausgangsleiter
x3 und y3 ebenfalls nicht gleichzeitig logisch Eins sind. Dies wird in der minimierten
Schaltung Fig. 3 durch Invertieren der Hilfsquelle H bei x2 und y2 gleichzeitig
erreicht.
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Fig. 4 gibt das Blockschaltbild des gesamten Zählers. Die Spannungssignale
U und die in Spannung umgewandelten Stromsignale I werden über den Abtaster -1-
dem stochastischen Codierer -2- zugeführt und in eine Pulsfolge mit einer zu U und
I proportionalen Pulswahrscheinl ichkeit umgesetzt. Diese Pulse werden individuell
in die 1-bit-Speicher USP bzw. ISP eingelesen, je nach Stellung des mit dem Abtaster
-1- synchron umlaufenden Schalters -3-. Gleichzeitig wird der eingeschriebene Wert
mit dem sich im Speicher aus dem vorherigen Einschreibzyklus noch befindlichen Puls
über den ebenfalls synchron umlaufenden Schalter -4- dem lnterpolationsnetzwerk
-5- zugeführt und der an dessen Ausgang erscheinende Puls mit der interpolierten
Pulswahrscheinlichkeit p(C) = 0,5(p(A)+p(B)) dem Multipliziernetzwerk -6- angeboten.
Die Multipol kation erfolgt zwischen diesem interpolierten Wert und dem Abtastwert
vom vorherigen Takt, welcher über den synchron, aber um einen Taktschritt mit dem
Abtaster
-1- versetzt umlaufendenSchalter -7- aus dem zweiten, in dieser Taktphase nicht
eingeschriebenen Speicher ausgelesen wird. Die Produktfolge am Ausgang des Multiplizierers
wird der Zähl- und Anzeigeeinheit -8- zugeführt. Durch dieses Zusammenspiel von
Abtaster, Speichern und Schaltern wird erreicht, daß zu jedem Taktschritt eine Multiplikation
mit jeweils einem interpolierten Wert durchgeführt wird. Da die Speicher USP und
ISP gleichzeitig eingeschrieben und ausgelesen werden, werden vorzugsweise Master-Slave-Typen
verwendet bzw. es ist eine der bekannten Formen der statischen oder dynamischen
Zwischenspeicherung oder der Zweiflankentaktsteuerung zu wählen.
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In Fig. 5 ist beispielhaft der Erfindungsgedanke auf einen Dreiphasenenergiezähler
angewandt. Es wird ein Produktwert aus interpoliertem und nichtinterpoliertem Wert
nach jeweils drei Taktschritten gebildet. In einer Variante läßt sich durch Vertauschen
der U- und l-Anschlüsse nach jedem Abtastzyklus die Interpolation alternierend auf
die Spannungs- und auf die Stromphasen anwenden und damit eine gleichmäßige Reduzierung
des Abtastzeitfehlers für alle Signale erzielen.
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Die bei der Interpolation verwendete unabhängige Pulsfolge darf eine
determinierte periodische Pulsfolge mit dem Tastverhältnis 0,5 sein, sofern die
zu U und I proportionalen Pulsfolgen hiervon statistisch unabhängig sind.