DE4221057A1 - Verfahren zum Erfassen des Verbrauchs elektrischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen des Vebrauchs elektrischer Energie durch einen Verbraucher durch Messen der an den Verbraucher angelegten Wechselspannungen und des zum Verbraucher fließenden Wechselstroms an einer vorgegebenen Abtastperiode entsprechenden Zeitpunkten, Bilden des Produkts der gemessenen Werte und Bilden der Summe der Produkte für die Dauer der Energieaufnahme durch den Verbrau­ cher.

Bei Anwendung dieses Verfahrens wird ein Mikroprozessor ein­ gesetzt, der für das Messen der Momentanwerte der Wechsel­ spannung und des Wechselstroms und für die Bildung des Pro­ dukts sowie für das Aufsummieren der Produkte zuständig ist. Die sinusförmigen Verläufe des Wechselstroms und der Wechsel­ spannung werden im Abstand der Abtastperiode gleichzeitig gemessen. Damit der Mikroprozessor die analogen Meßwerte wei­ terverarbeiten kann, müssen sie in einem Analog-Digital-Um­ setzer in digitale Werte umgesetzt werden. Die Produktbildung erfolgt dann unter Verwendung der digitalen Werte. In der Praxis dauert der Vorgang des Messens und Umsetzens der Mo­ mentanwerte durch den Mikroprozessor wesentlich länger als der Vorgang der Produktbildung. Die hierfür jeweils erforder­ lichen Zeitperioden stehen in einem Verhältnis von etwa 7 : 1 zueinander. Dies führt dazu, daß der Mikroprozessor nahezu eine vollständige Abtastperiode benötigt, um den jeweiligen momentanen Energieverbrauch zu ermitteln. Wenn der Energie­ verbrauch im Rahmen eines umfangreicheren Steuer- oder Regel­ prozesses benötigt wird, muß für die Steuer- oder Regelvor­ gänge ein zusätzlicher Mikroprozessor zur Anwendung kommen, da der für die Messung des Energieverbrauchs notwendige Mi­ kroprozessor durch die ihm übertragene Aufgabe bereits ausge­ lastet ist. Dies führt zu einer beträchtlichen Erhöhung der Hardware-Kosten, die für einen solchen Steuer- oder Regelpro­ zeß aufgewendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so weiterzubilden, daß die für die Erfassung des Energieverbrauchs notwendige Zeitdauer wesent­ lich verkürzt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Momentanwerte der Wechselspannung und des Wechselstroms im zeitlichen Abstand der Abtastperiode abwechselnd gemessen werden, daß jeder gemessene Momentanwert gespeichert wird, daß die Produktbildung in jeder Abtastperiode mit dem gerade gemessenen Momentanwert und mit dem gespeicherten Momentan­ wert erfolgt und daß die Summe der gebildeten Produkte mit einer von der Frequenz des Wechselstroms und der Wechselspan­ nung sowie von der Abtastperiode abhängigen Korrekturkonstan­ ten multipliziert wird.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in jeder Abtastperiode nur noch ein Meßvorgang durchgeführt, so daß ein für das Messen zuständiger Mikroprozessor soweit entla­ stet wird, daß er in jeder Abtastperiode noch weitere Opera­ tionen durchführen kann. Er könnte also beispielsweise Aufga­ ben in einem Steuer- oder Regelprozeß übernehmen, so daß hierfür kein zweiter Mikroprozessor zur Anwendung kommen muß.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf einer Wechselspannung sowie eines Wechselstroms und auch den zeit­ lichen Verlauf der erfaßten Leistung zeigt.

Bei der Durchführung des zu beschreibenden Verfahrens werden die an einem Verbraucher anliegende Wechselspannung U sowie der zu diesem Verbraucher fließende Wechselstrom I an aufein­ anderfolgenden Zeitpunkten t1, t2 . . . tn abwechselnd gemes­ sen. Der Abstand zwischen den einzelnen Zeitpunkten t1, t2 . . . tn entspricht dabei der Abtastperiode Δt. In der einzigen Figur der Zeichnung sind die Wechselspannungskurve und die Wechselstromkurve mit U bzw. I gekennzeichnet. Die abwech­ selnd gemessenen Momentanwerte der Spannung und des Stroms werden gespeichert. Dies bedeutet, daß zunächst die Spannung U₁ gemessen wird und der erfaßte Momentanwert gespeichert wird. Im Anschluß daran wird der Strom Ii gemessen. Sobald dieser Momentanwert I₁ zur Verfügung steht, wird das Produkt aus dem gespeicherten Spannungswert U₁ und dem gerade gemes­ senen Stromwert I₁ gebildet. Der gemessene Stromwert I₁ wird dann abgespeichert. Im Anschluß daran erfolgt im Zeitpunkt t3 die Messung der Spannung U₂, worauf die Bildung des Produkts aus dem gespeicherten Stromwert I₁ und dem gemessenen Span­ nungswert U₂ erfolgt. Der Spannungswert U₂ wird wieder abge­ speichert. Diese abwechselnde Folge einer Messung und einer Produktbildung wird dann kontinuierlich fortgesetzt. Durch Aufsummieren der jeweils erhaltenen Produktergebnisse kann der Energieverbrauch eines Verbrauchers erfaßt werden.

In der Figur der Zeichnung ist zu erkennen, daß zwischen der Spannungskurve und der Stromkurve eine Phasenverschiebung ϕ vorhanden ist. Diese abgesehen von reinen Wirkleistungsver­ brauchern stets vorhandene Phasenverschiebung ist für die nachfolgenden Überlegungen der Genauigkeit des beschriebenen Meßverfahrens ohne Bedeutung. Aufgrund der Tatsache, daß bei der Produktbildung jeweils zwei Momentanwerte miteinander multipliziert werden, die an zwei im Abstand der Abtastperio­ de Δt voneinander liegenden Zeitpunkten gemessen worden sind, ergibt sich ohne die Anwendung zusätzlicher Maßnahmen ein Meßfehler, der sich so auswirkt, als wäre eine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen der Spannungskurve und der Strom­ kurve vorhanden. Durch Berechnen der Produkte in der oben beschriebenen Weise ergibt sich, daß ein konstanter Meßfehler auftritt, der den Wert cos(Δt·2πf) hat, wobei Δt die bereits erwähnte Abtastperiode ist, während f die Frequenz der Wech­ selspannung und des Wechselstroms ist. Da es sich sowohl bei der Abtastperiode als auch bei der Frequenz der Wechselspan­ nung und des Wechselstroms um konstante Größen handelt, kann der Meßfehler dadurch kompensiert werden, daß das Produkt mit dem Kehrwert des genannten Werts multipliziert wird. Auf die­ se Weise kann der sich aufgrund des zeitlichen Abstandes der zwei an der Produktbildung beteiligten Werte ergebende Meß­ fehler vollständig kompensiert werden.

In einer Formel läßt sich die verbrauchte Energie bei Anwen­ dung des beschriebenen Verfahrens wie folgt ausdrücken:

Der Parameter K in der Gleichung ist dabei eine sogenannte Meßgerätekonstante, die von der Art der verwendeten Strom- und Spannungsfühler sowie von der angewendeten Analog-Digi­ tal-Umsetzung und auch von Verstärkungsfaktoren der verwende­ ten elektronischen Schaltungen abhängt.

Da bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeder Abtastperiode nur ein einziger Meßvorgang durchgeführt werden muß, kann der für die Energieverbrauchsmessung eingesetzte Mikroprozessor auch noch für andere Aufgaben eingesetzt wer­ den, da er den einen Meßvorgang und den sich anschließenden Vorgang der Produktbildung in einer wesentlich kürzeren Zeit durchführen kann als die Dauer der Abtastperiode beträgt. In einem praktischen Beispiel wird mit einer Abtastfrequenz von 10 kHz gearbeitet, was einer Abtastperiode von 0,1 ms ent­ spricht. Die Frequenz f entspricht der Netzfrequenz von 50 Hz. Ein üblicher Mikroprozessor ist ohne weiteres in der Lage, den einen Meßvorgang und die Produktbildung in einer Zeitdau­ er durchzuführen, die weniger als die Hälfte der genannten Abtastperiode beträgt.

Claims (2)

1. Verfahren zum Erfassen des Verbrauchs elektrischer Energie durch einen Verbraucher durch Messen der an den Verbraucher angelegten Wechselspannungen und des zum Verbraucher fließen­ den Wechselstroms an einer vorgegebenen Abtastperiode ent­ sprechenden Zeitpunkten, Bilden des Produkts der gemessenen Werte und Bilden der Summe der Produkte für die Dauer der Energieaufnahme durch den Verbraucher, dadurch gekennzeich­ net, daß die Momentanwerte der Wechselspannung und des Wech­ selstroms im zeitlichen Abstand der Abtastperiode abwechselnd gemessen werden, daß jeder gemessene Momentanwert gespeichert wird, daß die Produktbildung in jeder Abtastperiode mit dem gerade gemessenen Momentanwert und mit dem gespeicherten Mo­ mentanwert erfolgt und daß die Summe der gebildeten Produkte mit einer von der Frequenz des Wechselstroms und der Wechsel­ spannung sowie von der Abtastperiode abhängigen Korrekturkon­ stanten multipliziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturkonstante den Wert hat, wobei Δt die Abtastperiode ist und f die Frequenz des Wechselstroms und der Wechselspannung ist.