DE69636480T2

DE69636480T2 - Elektronischer stromzähler mit automatischer netzerkennung

Info

Publication number: DE69636480T2
Application number: DE69636480T
Authority: DE
Inventors: Forrest W. Salem Briese; Charles Craig Atlanta Hyder; Coy Stephen Talking Rock Lowe; John Murray Atlanta Schlarb; Christophe Jean Andrea Fouquet
Original assignee: Atos Origin IT Services Inc
Current assignee: Itron Inc
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: KR100434680B1; ES2270754T1; CA2201104C; PT862746E; CA2201104A1; RU2178892C2; AR003146A1; ATE337560T1; EP1698906B1; DE06114132T1; DK0862746T3; EP1698906A1; DE69636480D1; DE69637533D1; ES2271956T3; HK1097598A1; ATE395607T1

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, die in einen elektronischen Halbleiter-Elektrizitätszähler integriert ist, sowie auf einen solchen Zähler.
Technischer Hintergrund
Wattstunden-Zähler vom Induktions-Typ benutzen typischerweise einen Impuls-Initiator, der proportional zur Drehzahl einer Zählerscheibe Impulse erzeugt.
Diese erzeugten Impulse werden zu elektronischen Registern gesendet, um Strom, Spannung, Leistung und/oder Zeitdauer des Energieverbrauchs abzuleiten.
Es sind heute bereits verschiedene Arten von elektronischen Halbleiter-Mehrphasen-Zählern allgemein im Gebrauch. Diese Zähler, die den elektrischen Energieverbrauch überwachen und den Verbrauch in Kilowattstunden, den Leistungsfaktor, KVA und/oder die Blindleistung aufzeichnen oder weitermelden, nutzen typischerweise Halbleiterbauelemente und können Analog-/Digital-Wandler einsetzen, um digitale Daten anstelle von Impulsdaten bereitzustellen, aus denen verschiedene Bedarfs-/Verbrauchs-Anzeigen entnommen werden können.
Es ist auch wohlbekannt, elektronische Halbleiter-Zähler bereitzustellen, die konfigurierbar sind, so dass sie in einer Vielzahl von Ein- oder Mehrphasen- Energieversorgungssystemen installiert werden können. Ein Beispiel für einen elektronischen Halbleiter-Wattstunden-Zähler wird in US-Patent Nr. 5,059,896 offen gelegt, das Germer et al erteilt wurde.
Ein Beispiel für einen Halbleiter-Elektrizitätsbedarfs-Recorder, der in Verbindung mit einem herkömmlichen Wattstunden-Zähler verwendet werden kann, wird in US-Patent Nr. 4,697,182 offen gelegt, das Swanson erteilt wurde.
Verschiedene Zusatzeinrichtungen und Diagnoseverfahren werden vom Service-Personal bei der Installation dieser Zähler benutzt, um sicherzustellen, dass die Installation korrekt verdrahtet wurde. Viele Installations-Überprüfungen, wie z.B. Überprüfung der Polarität und die Phasen-Überkreuzungs-Überprüfung werden jedoch vor Ort vom Personal abgeleitet und sind daher abhängig von den Kenntnissen und der Kompetenz dieses Personals.
Während verschiedene Diagnose-Einrichtungen für den Einsatz durch Personal vor Ort bei der Installation und bei regelmäßigen Wartungsarbeiten zur Verfügung stehen, besteht ein Bedarf für eine eingebaute Vorrichtung, die automatisch und regelmäßig eine Standard-Serie von System- und Installations-Diagnosen durchführt, ohne den Betrieb des Zählers zu unterbrechen. Zusätzlich dazu besteht ein Bedarf an regelmäßigen Selbsttests des Zählers, um das Auftreten ausgewählter vordefinierter schwerer und nicht schwerer Fehler im Betrieb des Zählers zu bestimmen und aufzuzeichnen.
Obwohl Zähler zur Verfügung stehen, die an mehr als eine Art des elektrischen Anschlusses angepasst werden können, ist zudem ein Nachteil dieser Zähler, dass der Kunde oft die Art des elektrischen Anschlusses vor der Installation in den Zähler programmieren muss. Diese Programmierung von Zählern mit mehreren Anschlussmöglichkeiten begrenzt ihre Fähigkeiten bezüglich mehrerer Anschlussarten.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine eingebaute Vorrichtung zum Systemtest und zur Fehlerbeseitigung für einen elektronischen Halbleiter-Zähler bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die in einen Halbleiter-Zähler eingebaut ist und die automatisch eine Reihe von vordefinierten System-Installations- und Diagnose-Tests im Zähler durchführt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System-Überprüfungs- und Fehlerbeseitigungs-Paket bereitzustellen, das einen elektronischen Zähler unterstützt und in ihm eingebaut ist, und das Einrichtungen enthält, um Ergebnisse ausgewählter Selbsttests und System-Diagnose-Tests anzuzeigen, wenn sie vom Service-Personal abgefragt werden.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine automatisierte System-Überprüfungs-Vorrichtung bereitzustellen, die regelmäßig das Vorhandensein bestimmter vordefinierter Bedingungen überprüft und die abhängig von der Art des Fehlers als Reaktion auf die Entdeckung eines Fehlers vorher festgelegte Aktionen ergreift.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um die Phasenwinkel jedes Spannungs- und Stromzeigers bezogen auf einen vorher ausgewählten Basis-Zeiger zu bestimmen, um zu überprüfen, dass alle Elemente des Zählers die richtige Spannung und den richtigen Strom für jede Phase eines elektrischen Mehrphasen-Anschlusses messen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die in einen elektronischen Elektrizitätszähler integriert ist, um einen Selbsttest des Zählers und die Diagnose des elektrischen Systems durchzuführen, die einen Mikroprozessor, Speicher, computer-programmierte Logik zur automatischen und regelmäßigen Durchführung eines vorher ausgewählten Satzes von Zähler-Selbsttests und zur Aufzeichnung von dadurch ermittelten Fehlern, computer-programmierte Logik zur automatischen Durchführung einer vorher ausgewählten Reihe von System-Diagnose-Tests und zur Aufzeichnung von Ergebnissen, die vordefinierte Grenzwerte überschreiten, und Anzeige-Einrichtungen zur Anzeige von Fehlern und Diagnose-Nachrichten, die einen oder mehrere Selbsttest-Fehler oder ausgewählte Diagnose-Daten und/oder im Zähler bei Selbsttests während einer vordefinierten Zeitdauer entdeckte Fehler kennzeichnen, enthält.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise in einen Halbleiter-Zähler integriert, der einen Analog-/Digital-Wandler und zugehörige digitale Abtastverfahren nutzt, um digitale Daten zu erhalten, die Strom und Spannung einer oder mehrerer Phasen eines Einphasen- oder Mehrphasen-Systems entsprechen, an das der Zähler angeschlossen ist.
Die vorliegende Erfindung führt automatisch die vorher ausgewählten Zähler-Selbsttests aus, vorzugsweise einmal pro Tag, und/oder wenn nach einem Stromausfall die Versorgungsspannung wieder an den Zähler angelegt wird, und/oder wenn eine komplette Zähler-Rekonfiguration durchgeführt wird, um zu überprüfen, ob die ausgewählten Zähler-Komponenten weiterhin funktionsfähig sind. In der bevorzugten Ausführung überprüft die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Beispiel ihren eigenen Speicher, den Mikroprozessor und ausgewählte Register im Zähler, um festzustellen, ob die Abrechnungsdaten seit der letzten Überprüfung beschädigt wurden. Da die Beschädigung von Abrechnungsdaten als schwerer Fehler des Zählers betrachtet wird, erzeugt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Fehlercode, der die Art des Fehlers angibt, und zeigt ihn an, verriegelt die Anzeige mit dem Fehlercode und beendet alle Zählfunktionen (bis auf Kommunikationsfunktionen), bis der Zähler rekonfiguriert wird.
Zusätzlich dazu sucht die Vorrichtung auch regelmäßig andere, nicht schwere Fehler, wie z.B. Register-Überläufe, Uhr-, Benutzungszeit-, Stromumkehrungs- und Batteriespannungs-Fehler. Die Häufigkeit der Fehlerüberprüfung sowie der mögliche Effekt des Fehlers auf den weiteren Betrieb können abhängig von der überprüften Komponente und/oder der überprüften Bedingung variieren. Wenn sie erkannt wurden, können nicht schwere Fehler abhängig von der Art des Fehlers, und wie der spezielle Zähler konfiguriert ist, die Anzeige verriegeln oder nicht.
Die vorliegende Erfindung führt auch regelmäßig eine Reihe von vorher ausgewählten System-Diagnose-Tests aus. Diese Tests finden bei der Installation des Zählers und vorzugsweise im Normalbetrieb des Zählers einmal alle fünf Sekunden statt. In der bevorzugten Ausführung führt die Vorrichtung eine Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Diagnose, eine Phasen-Spannungs-Abweichungs-Diagnose, eine Diagnose des Stroms inaktiver Phasen, eine Leistungsfaktor-Diagnose pro Phase und eine Diagnose zur Erkennung von Strom-Signalform-Störungen aus, wozu vom Werk definierte Parameter, sowie vom Benutzer definierte Parameter benutzt werden, die vom Personal vor Ort bei der Installation spezifiziert werden können.
Bei der Durchführung der Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Diagnose nutzt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gesammelte Strom- und Spannungs-Informationen, um in einem Mehrphasensystem den Phasenwinkel jedes Spannungs- und Stromzeigers (zum Beispiel V_B, V_C, I_A, I_B und I_C) mit Bezug auf einen Referenz-Zeiger (zum Beispiel V_A) zu bestimmen. Die richtige Position jedes Zeigers ist für diese Installation vordefiniert und wird als Muster für den Vergleich mit dem berechneten Phasenwinkel verwendet, um festzustellen, ob jeder Winkel in eine vordefinierte Hüllkurve fällt. Wenn irgendeiner der berechneten Phasenwinkel außerhalb seiner vordefinierten Hüllkurve liegt, kann eine Diagnose-Fehlermeldung angezeigt werden. Diese Diagnose ist insbesondere bei der Installation nützlich, da dieser Fehler ein Vertauschen der Phasen eines Spannungs- oder Stromkreises, eine falsche Polarität eines Spannungs- oder Stromkreises, eine Umkehrung des Energieflusses einer oder mehrerer Phasen (Co-Generation) oder eine interne Fehlfunktion des Zählers anzeigen kann.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise auch eine "Toolbox"-Anzeige, die wenn sie vom Service-Personal manuell aktiviert wird, bewirkt, dass in der Anzeige eine Liste von vorher ausgewählten Werten, wie z.B. Spannung und Strom für jede Phase, die mit jedem Spannungs- und Stromzeiger verbundenen Winkel und die Häufigkeit des Auftretens jedes Diagnose-Fehlers zur Durchsicht durch das Service-Personal abrollt.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung misst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung automatisch die Art des elektrischen Anschlusses (d.h. Einphasig, Dreidraht-Dreieckschaltung, Vierdraht-Sternschaltung oder Vierdraht-Dreieckschaltung), wenn der Zähler installiert wird, nach dem Einschalten und vorzugsweise auch regelmäßig im Normalbetrieb des Zählers.
Die System-Diagnose, die Toolbox-Anzeige und die automatische Messung der Schaltungsart werden von der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ohne Unterbrechung des Betriebs des Zählers ausgeführt, außer der Betrieb ist als Folge eines schweren Fehlers absichtlich unterbrochen.
Die oben angegebenen Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sofort aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Art zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Zählers, in den die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung integriert werden kann;
3 ist ein Blockdiagramm des Zählers aus 2;
4 ist ein Flussdiagramm der elektrischen Systemdiagnose-Überprüfungen der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Flussdiagramm eines ersten Teils der Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Diagnose, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
6 ist ein Flussdiagramm des zweiten Teils der Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Diagnose, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
7 ist ein Flussdiagramm eines ersten Teils der Phasen-Spannungs-Abweichungs-Diagnose-Routine, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
8 ist ein Flussdiagramm eines zweiten Teils der Phasen-Spannungs-Abweichungs-Diagnose-Routine, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
9 ist ein Flussdiagramm eines ersten Teils der Diagnose des Stroms inaktiver Phasen, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
10 ist ein Flussdiagramm eines zweiten Teils der Diagnose des Stroms inaktiver Phasen, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
11 ist ein Flussdiagramm eines ersten Teils der Leistungsfaktor-Diagnose pro Phase, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
12 ist ein Flussdiagramm eines zweiten Teils der Leistungsfaktor-Diagnose pro Phase, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
13 ist ein Flussdiagramm eines dritten Teils der Leistungsfaktor-Diagnose pro Phase, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
14 ist eine Liste von Punkten, die in der Toolbox-Anzeige angezeigt werden;
15 ist ein Zeigerdiagramm für eine typische dreiphasige Zähler-Installation;
16 ist ein Graph, der den Zusammenhang der Signalformen zeigt, indem er zwei Phasen darstellt, die von der Vorrichtung gemessen werden;
17A ist der erste Teil eines Blockschaltbildes des Eingangsmoduls 42 aus 3;
17B ist der zweite Teil eines Blockschaltbildes des Eingangsmoduls 42 aus 3;
18A ist der erste Teil eines Blockschaltbildes des Register-Moduls 48 aus 3;
18B ist der zweite Teil eines Blockschaltbildes des Register-Moduls 48 aus 3;
19 ist ein erstes Flussdiagramm der Diagnose zur Erkennung von Strom-Signalform-Störungen, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
20 ist ein zweites Flussdiagramm der Diagnose zur Erkennung von Strom-Signalform-Störungen, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
21 ist eine Tabelle, welche die Formfaktoren und die zugehörigen Arten des elektrischen Anschlusses, die sie unterstützen können, zeigt;
22 ist ein Flussdiagramm eines ersten Teils der Funktion zur automatischen Messung der Anschlussart, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
23 ist ein Flussdiagramm eines zweiten Teils der Funktion zur automatischen Messung der Anschlussart, die von der vorliegenden Erfindung implementiert wird.
Beste Betriebsart
Mit Bezug auf 1 enthält die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die allgemein mit 20 bezeichnet wird, eine Zentraleinheit 22, einen Speicher 24, der für die Speicherung digitaler Daten, die den regelmäßigen Abtastwerten der Spannungs- und Strom-Daten vom Spannungs-A/D-Wandler 26, bzw. vom Strom-A/D-Wandler 28 entsprechen, geeignet ist, Logik 30 zur Durchführung des Zähler-Selbsttests und der System- und Installations-Diagnose, die vom System unterstützt wird, sowie Anzeige-Einrichtungen 32 zur Anzeige von Fehler- und Diagnose-Informationen.
Mit Bezug auf 2 ist die Vorrichtung 20 vorzugsweise in einen Halbleiter-Mehrphasen-Kilowatt-/Kilowattstunden-("kW/kWh")-Einzelfunktions-Zähler 34 eingebaut (wie in den 3, 17A–B und 18A–B gezeigt und im Folgenden detaillierter beschrieben), der eine im Allgemeinen kreisförmige Grundplatte 36 und ein herkömmliches Kunststoff-Gehäuse (nicht gezeigt) aufweist, an dem eine Frontplatte 38 und eine Zähler-Abdeckung 40 befestigt sind. Der Zähler 34 enthält auch herkömmliche Strommessungs-Elemente, die für den Anschluss an vorhandene elektrische Systeme angepasst sind.
Mit Bezug auf 3 ist in der bevorzugten Ausführung die Diagnose-Logik 30 für die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung in das Eingangs-Modul 42 des Zählers eingebaut, das einen Mikroprozessor 44, einen 8-Bit-A/D-Wandler, der als Spannungs-A/D-Wandler 26 dient, Arbeitsspeicher 45, der teilweise als Teil des Systemspeichers 24 dient, sowie Festwertspeicher und EEPROM, in dem sich die System-Diagnose-Logik befindet, in 46 enthält. Das Eingangs-Modul unterstützt vorzugsweise auch andere Zähler-Funktionen, einschließlich Selbsttest-Funktionen der Komponenten, A/D-Abtastung, Energieberechnungen, aktueller Bedarf, Momentanwerte, optionale Ausgaben und Zähler-Kommunikation zusätzlich zu den System- und Installations-Diagnosen und der Toolbox-Anzeige, die von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Die Anzeige ist in dieser Ausführung eine Flüssigkristall-Anzeige 33, die vorzugsweise neun Siebensegment-Ziffern, drei Dezimalpunkte und eine Vielzahl von Symbolen enthält, die zur Anzeige von elektrischen System-Informationen, die normalerweise von herkömmlichen Zählern angezeigt werden, sowie der Diagnose-Daten, die von der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, nützlich sind, wie sie im wesentlichen in 3 gezeigt werden.
Der Zähler 34 enthält auch ein Register-Modul 48, das einen Mikroprozessor 50 hat, der folgendes enthält: Festwertspeicher; Arbeitsspeicher 51, der teilweise auch als Systemspeicher dient; einen 96-Segment-LCD-Treiber und 24 I/O-Leitungen. In dieser Ausführung enthalten der Festwertspeicher und die Register-CPU 50 die Anzeige-Logik zur Erzeugung der Toolbox-Anzeige, sowie der Diagnose-Fehlercodes, die von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Das Register-Modul 48 unterstützt auch andere Zähler-Funktionen, wie z.B. die Aufrechterhaltung der Abrechnungs-Werte und mit Abrechnungs-Registern verbundene Funktionen, sowie zeitbezogene Funktionen, einschließlich Selbst-Ablesung, Benutzungszeit, Betriebszeit und Massenspeicher.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass in der in 3 gezeigten Ausführung des Zählers 34 die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung einen 8-Byte-A/D-Wandler 26 zur Messung von Spannungs-Signalen und einen externen 12-Byte-A/D-Wandler 28 zur Messung von Strom-Abtastwerten benutzt. Wie ein Fachmann erkennen wird, benötigt der Strom-Wandler 28 eine höhere Auflösung, da der Strom sich über einen größeren Bereich ändert als die Spannung. Ein Fachmann wird auch erkennen, dass es vorzuziehen ist, getrennte Wandler zu haben, um Strom und Spannung gleichzeitig zu messen, so dass der vom Strom-Transformator verursachte Phasenfehler direkt kompensiert werden kann, indem die Verzögerung zwischen dem Strom-Abtastwert und dem Spannungs-Abtastwert justiert wird. Wenn der Strom-Transformator ideal ist und keine Phasenverzögerung verursacht, können somit Spannung und Strom mit den unabhängigen Wandlern 26 und 28 gleichzeitig abgetastet werden.
Die Anzeige-Logik zur Erzeugung der Toolbox-Anzeige und der Diagnose-Fehlermeldung der Vorrichtung 20 ist Teil der Anzeige-Logik 52, die in der speziellen Ausführung von 3 von der Register-CPU 50 implementiert wird. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Logik und die CPU-Funktionen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer einfacheren Ein-Prozessor-Architektur (wie in 1 gezeigt), sowie in der in 3 gezeigten Architektur oder in anderen Hardware-Implementationen implementiert werden können.
Die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung bietet einen kompletten Bereich an System-Diagnose-Funktionen und Diagnose-Anzeige-Funktionen über die "Toolbox"-Anzeige. Die System- und Installations-Diagnose wird teilweise vom Anwender über die Programmier-Software definiert. Die Toolbox ist eine Anzeige eines festen Satzes von Diagnose-Informationen, die in einer speziellen Betriebsart enthalten ist, auf die ein Anwender, typischerweise Service-Personal, zugreifen kann, vorzugsweise durch Aktivierung eines Magnetschalters am Zähler. Jede der Diagnosefunktionen wird weiter unten detaillierter beschrieben.
In einer Ausführung bietet die Vorrichtung 20 auch eine automatische Funktion zur Erkennung der Art des elektrischen Anschlusses. Wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, enthält diese Funktion Logik, um die Art des elektrischen Anschlusses, der vom Zähler unterstützt wird, automatisch bei der Installation, beim nachfolgenden Einschalten und regelmäßig im Betrieb des Zählers zu bestimmen; wobei die Bestimmung auf der vorprogrammierten Form-Nummer des Zählers und dem Winkel-Versatz der Spannungsvektoren V_A und V_C beruht, die von der Vorrichtung automatisch regelmäßig bestimmt werden, wie unten beschrieben.
Svstem- und Installations-Diagnose
Die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung führt eine Vielzahl von System- und Installations-Diagnosen aus, die mögliche Probleme mit der elektrischen Anlage, die falsche Installation des Zählers oder interne Zähler-Fehlfunktionen anzeigen können. Obwohl diese Diagnosen abhängig von der Art des elektrischen Anschlusses des Zählers variieren können, werden die unten beschriebenen Diagnosen typischerweise von der Vorrichtung ausgeführt.
Mit Bezug auf 4 werden die System- und Installations-Diagnosen auch vorzugsweise als Automat implementiert. In der bevorzugten Ausführung besteht die Diagnose aus vier Diagnosen, die der Anwender zur Ausführung durch den Zähler auswählen kann – (1) Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Überprüfung; (2) Überprüfung der Abweichung der Phasen-Spannungen; (3) Strom-Transformator-Überprüfung; (4) Leistungsfaktor-Überprüfung pro Phase; und (5) Überprüfung auf Strom-Signalform-Störungen. Alle ausgewählten Diagnosen werden vom Zähler mindestens einmal alle 5 Abtastintervalle ausgeführt.
Wenn eine Fehlerbedingung gemäß der Parameter auftritt, die vom Anwender entsprechend einem Fehler einer Diagnose definiert wurden, zeigt der Zähler Informationen an, um die Fehlerbedingung anzuzeigen, und löst optional das Schließen eines Ausgangs-Kontaktes aus, wie z.B. eines Quecksilber-Relais oder eines Halbleiter-Kontaktes, der als "Fehlerbedingungs-Alarm" programmiert wurde. Wenn ein optionaler Ausgang als Fehlerbedingungs-Alarm programmiert wurde, schließt dieser Ausgangs-Kontakt immer dann, wenn ein Diagnose-Fehler, der vom Anwender ausgewählt wurde, ausgelöst wird.
Mit erneutem Bezug auf 4 durchläuft die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise iterativ eine Serie von Berechnungen und Diagnose-Überprüfungen, die in 54–62 gezeigt werden. In der bevorzugten Ausführung ist die Verarbeitungszeit in Abtastintervalle unterteilt, die gleich 60 Perioden des Stromversorgungsleitungs-Taktes sind. Zum Beispiel ist dies in einer 50-Hz-Installation 1,2 Sekunden. In einer 60-Hz-Installation beträgt das Abtast-Intervall 1 Sekunde.
Die Vorrichtung 20 benutzt einen einfachen Zähler und führt die erforderliche Abtastung und die Berechnungen zur Bestimmung des Winkels von I_A (vorzugsweise bezogen auf den Basis-Zeiger V_A) durch, sowie die Ausführung von Diagnose-Überprüfung Nr. 1 während des ersten Intervalls, wie in 54 gezeigt.
Im zweiten Intervall, in 56, sammelt die Vorrichtung 20 die erforderlichen Abtastwerte, um den Winkel für I_B zu berechnen, und führt Diagnose-Überprüfung Nr. 2 durch.
In einem dritten Intervall, in 58, sammelt die Vorrichtung die erforderlichen Abtastwerte, um den Phasenwinkel für I_C zu berechnen, und führt Diagnose-Überprüfung Nr. 3 durch.
Im vierten Intervall, in 60, sammelt die Vorrichtung die erforderlichen Abtastwerte, um den Phasenwinkel für V_B zu berechnen, und führt Diagnose-Überprüfung Nr. 4 durch.
Im fünften Intervall, in 62, sammelt die Vorrichtung die erforderlichen Abtastwerte, um den Phasenwinkel für V_C zu berechnen, führt Diagnose-Überprüfung Nr. 5 durch und setzt den Zähler auf Null.
Der Zähler wird am Ende jedes dieser Intervalle inkrementiert (in 64), und die Sequenz wird kontinuierlich wiederholt. Somit wird in einem 60-Hz-System einmal alle 5 Sekunden der Phasenwinkel für jeden der Strom- und Spannungszeiger berechnet und jede der vier Diagnose-Überprüfungen durchgeführt. Wie ein Fachmann erkennen wird, können andere Zeitintervalle implementiert werden, und/oder die Unter-Routinen 54–62 können so geändert werden, dass häufiger oder weniger häufiger Überprüfungen einer oder mehrere der ausgewählten Diagnosen wie gewünscht durchgeführt werden.
DIAGNOSE Nr.1 – Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Überprüfung
Mit Bezug auf 5 und 6 ist die Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Überprüfung so konstruiert, dass eine Umkehrung der Polarität jeder Phasenspannung und jedes Stroms überprüft wird, und dass überprüft wird, ob die Spannung einer Phase falsch zum Strom einer anderen Phase verdrahtet wurde. Diese Bedingung kann auch auftreten, wenn Co-Generation vorhanden ist. Diese Überprüfung wird durchgeführt, indem regelmäßig der Winkel jedes Spannungs- und Stromzeigers bezogen auf einen Referenzzeiger (vorzugsweise V_A) gemessen wird. Jeder Winkel wird mit dem idealen Winkel verglichen, der als der Winkel definiert ist, der sich bei einer symmetrischen rein ohmschen Last ergibt. Wenn ein beliebiger Spannungs-Winkel seinem idealen Winkel um mehr als einen vordefinierten Wert (vorzugsweise 10°) vor- oder nacheilt, oder wenn ein beliebiger Strom-Winkel seinem idealen Winkel um mehr als einen zweiten vordefinierten Wert (vorzugsweise 90°) vor- oder nacheilt, zeigt der Zähler einen Diagnosefehler Nr. 1 an.
Wie in 5 gezeigt, überprüft die Polaritäts-, Phasen-Überkreuzungs- und Energiefluss-Überprüfungs-Diagnoseroutine 66 der Vorrichtung 20 zuerst jeden Winkel (wo für das spezielle System, an das der Zähler angeschlossen ist, anwendbar) jedes der Strom- und Spannungszeiger (in 68–76), um festzustellen, ob jeder innerhalb der Toleranzen des vordefinierten Ideals für eine ABC-Drehung liegt. Wenn ein beliebiger der Winkel nicht innerhalb der Toleranz für das Ideal liegt, setzt die Vorrichtung das abc-Flag auf falsch (in 78) und fährt mit der Überprüfung jedes der Winkel fort (wie in 6 gezeigt), wobei eine CBA-Drehung angenommen wird.
Wenn für alle Winkel in 68–76 festgestellt wurde, dass sie innerhalb der Toleranzen ihres vordefinierten Idealwertes liegen, setzt die Vorrichtung 20 in 80 das abc-Flag auf wahr und fährt mit der Überprüfung der Winkel fort, wobei eine CBA-Drehung angenommen wird.
Mit Bezug auf 6 fährt, wenn die ABC-Drehungs-Überprüfung durchgeführt wurde, die Vorrichtung mit 82–90 fort, um die Winkel jedes Strom- und Spannungszeigers zu überprüfen, um festzustellen, ob für eine CBA-Drehung die Phasenwinkel innerhalb der Toleranzen der vordefinierten idealen Winkel liegen. Wenn irgendeiner der Phasenwinkel außerhalb des Toleranzbereichs für den vordefinierten idealen Winkel dieses Zeigers liegt, setzt die Vorrichtung in 92 das cba-Flag auf falsch. Wenn für alle Phasenwinkel festgestellt wurde, dass sie innerhalb der Toleranzen der vordefinierten idealen Winkel liegen, setzt die Vorrichtung in 94 das cba-Flag auf wahr. Die Vorrichtung 20 bestimmt dann, ob das abc- oder das cba-Flag auf wahr gesetzt ist. Wenn eins von beiden auf wahr gesetzt ist, ist die Diagnose-Überprüfung bestanden. Wenn weder das abc-, noch das cba-Flag auf wahr gesetzt ist, ist die Diagnose-Überprüfung sowohl für die ABC- als auch die CBA-Drehung nicht bestanden, was einen Diagnose-Fehler anzeigt.
Wenn ein Diagnose-Fehler festgestellt wird, zeichnet die Vorrichtung das Auftreten des Fehlers auf und zeigt den Fehler an, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. In der bevorzugten Ausführung tritt die erste Anzeige dieses Diagnosefehlers erst auf, wenn die Fehlerbedingung in drei aufeinander folgenden Überprüfungen vorhanden war.
Wie ein Fachmann erkennen wird, kann diese Diagnose eins von mehreren Problemen anzeigen, einschließlich Überkreuzung der Phasen eines Spannungs- oder Strom-Schaltkreises, einer falschen Polarität eines Spannungs- oder Strom-Schaltkreises, eines Energieflusses in Gegenrichtung in einer oder mehreren Phasen oder einer internen Fehlfunktion des Zählers.
DIAGNOSE Nr. 2 – Überprüfung der Abweichung der Phasen-Spannung
Unter Bezug auf die 7 und 8 ist die Überprüfung der Abweichung der Phasen-Spannung so konstruiert, dass in 98 für jede Phasen-Spannung überprüft wird, ob sie außerhalb einer vom Anwender definierten Hüllkurve liegt. Dies ist tatsächlich eine Überprüfung des Spannungs-Abstands des Verteilertransformators. Diese Überprüfung wird durchgeführt, indem die Spannung jeder Phase regelmäßig gemessen und gegen eine vordefinierte Spannungs-Hüllkurve überprüft wird, auf die von der Programm-Software Bezug genommen wird.
Die für die Überprüfung verwendete Formel ist:
Wenn eine Phasen-Spannung über V_upper oder unter V_lower liegt, zeigt der Zähler einen Phasenspannungs-Hüllkurven-Diagnose-Fehler an.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass in der bevorzugten Ausführung die Vorrichtung 20 in 100 überprüft, ob die Art des elektrischen Anschlusses, die vom Zähler unterstützt wird, der die Vorrichtung 20 enthält, eine Vierdraht-Dreieckschaltung mit drei Elementen ist. Falls ja, berechnet die Vorrichtung für den Spezialfall obere und untere Grenzen für die Spannung der Phase C, wie in 102 gezeigt.
Wenn entweder die Spannung der Phase B oder der Phase C die vordefinierten Grenzen überschreitet, zeigt die Vorrichtung wieder den Fehler für diese Diagnose-Überprüfung an (in 104 oder 106), der einen Diagnose-Fehler an zeigt, und der Fehler wird aufgezeichnet und die geeignete Fehlermeldung wird angezeigt, wie im Folgenden erklärt wird. Andernfalls ist diese Diagnose-Überprüfung bestanden (in 108), und diese Überprüfung wird beendet.
Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass in der bevorzugten Ausführung die erste Anzeige dieses Diagnosefehlers erst auftritt, wenn die Fehlerbedingung in drei aufeinander folgenden Überprüfungen vorhanden war.
Diese Diagnose kann einen Verlust des Phasen-Potentials, ein falsches Übersetzungsverhältnis des Potential-Transformators, einen Kurzschluss in den Wicklungen des Potential-Transformators, eine falsche Phasen-Spannung und eine interne Fehlfunktion des Zählers, sowie andere mögliche Probleme anzeigen.
DIAGNOSE Nr. 3 – Überprüfung des Stroms inaktiver Phasen
Mit Bezug auf die 9 und 10 wird die Vorrichtung 20 bei der Durchführung der Überprüfung des Stroms inaktiver Phasen regelmäßig den momentanen Effektivwert des Stroms jeder Phase mit einem vordefinierten Mindest-Stromwert vergleichen, der vorzugsweise im Bereich von 5mA bis 200A in Schritten von 1 mA ausgewählt werden kann. Wenn alle drei Phasenströme über dem akzeptierbaren Pegel liegen oder alle drei Phasenströme unter dem akzeptierbaren Pegel liegen, ist diese Diagnose bestanden. Jede andere Kombination führt zu einem Diagnosefehler Nr. 3, und es wird der Diagnosefehler Nr. 3 angezeigt.
Die Aufzeichnung und Anzeige dieses Diagnosefehlers wird vorzugsweise wieder erst auftreten, wenn die Fehlerbedingung in drei aufeinander folgenden Überprüfungen vorhanden war.
Das Auftreten eines Diagnosefehlers Nr. 3 kennzeichnet das Vorhandensein eines Fehlers der Größe eines oder mehrerer Phasenströme des Zählers. Um das spezifische Problem zu bestimmen, muss der Anwender die Phasenstrom-Information im Toolbox-Modus erhalten, wie im Folgenden beschrieben.
Ein Fachmann wird erkennen, dass diese Diagnose-Überprüfung genutzt werden kann, um eines von mehreren möglichen Problemen anzuzeigen, wie z.B. eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss eines Strom-Transformator-Stromkreises.
DIAGNOSE Nr. 4 – Leistungsfaktor-Überprüfung pro Phase
Mit Bezug auf die 11–13 ist die Leistungsfaktor-Diagnose-Überprüfung pro Phase so konstruiert, dass überprüft wird, ob für jede Phase des Zählers der Winkel zwischen dem Stromzeiger und dem idealisierten Spannungszeiger innerhalb einer Hüllkurve liegt, die vom Anwender spezifiziert wird (+/– 1–90°). Da diese Toleranz restriktiver ist als in der Diagnose Nr. 1, führt die Vorrichtung 20 diese Diagnose-Überprüfung erst durch, wenn die Diagnose Nr. 1 bestanden wurde. Diese Diagnose kann eines aus einer Reihe möglicher Probleme anzeigen, einschließlich schlechte Last-Leistungsfaktor-Bedingungen, schlechte System-Bedingungen oder eine Fehlfunktion von Systemeinrichtungen.
Die Vorrichtung 20 überprüft in 114 und 116 zuerst die abc- und cba-Drehungs-Flags. Wenn beide dieser Flags auf falsch stehen, zeigt dies an, dass der Diagnose-Test Nr. 1 nicht bestanden wurde.
Da die Toleranzen dieser Diagnose restriktiver sind, als die Diagnose Nr. 1 wird die Diagnose-Überprüfung abgebrochen.
Wenn entweder das abc- oder das cba-Drehungs-Flag auf wahr steht (was anzeigt, dass der Diagnose-Test Nr. 1 bestanden wurde), führt die Vorrichtung 20 in 114, bzw. 116 die geeigneten ABC- oder CBA-Drehungs-Überprüfungen durch. Für eine ABC-Drehung überprüft die Vorrichtung in 118–122 den Winkel zwischen dem geeigneten Stromzeiger und dem idealisierten Spannungszeiger, um festzustellen, ob der Winkel innerhalb einer Hüllkurve liegt, die vom Anwender spezifiziert wird. Wenn der Winkel innerhalb der vordefinierten Hüllkurve liegt, ist in 124 die Diagnose bestanden. Falls nicht, ist (in 126) die Diagnose nicht bestanden, was einen Diagnose-Fehler Nr. 4 anzeigt. Für den Fall einer CBA-Drehung führt die Vorrichtung 20 in 128–132 ähnliche Hüllkurven-Überprüfungen für den geeigneten Stromzeiger durch.
DIAGNOSE Nr. 5 – Überprüfung auf Strom-Signalform-Störungen
Mit Bezug auf 19 ist die Überprüfung auf Strom-Signalform-Störungen so konstruiert, dass das Vorhandensein von Gleichstrom auf jeder der Phasen erkannt wird. Diese Diagnose ist besonders nützlich bei Zählern, die ausgelegt sind, nur Wechselstrom durchzulassen und wo die Leistungsfähigkeit des Strom-Transformators sich bei Gleichstrom verschlechtert, da der Gleichstrom den Transformator vormagnetisiert, so dass er in einem nichtlinearen Bereich arbeitet.
Die prinzipielle Art zur Erzeugung von Gleichstrom in einem Zähler ist es, eine Last mit Einweggleichrichter parallel zu einer normalen Last anzuordnen. Das Vorhandensein des halbweg-gleichgerichteten Stromsignals hat den Effekt, dass entweder der positive oder der negative Halbzyklus der Signalform erhöht wird, während der andere unbeeinflusst bleibt. Bei Zählern, die nicht dafür konstruiert sind, Gleichstrom durchzulassen, wird wenn dieses Signal am Eingang des Stromtransformators erscheint, sein Pegel verschoben, so dass der Ausgang einen Mittelwert von Null hat. Der Spitzenwert der positiven und der negativen Halbwellen des Signals haben jedoch nicht mehr dieselbe Größe. Die Diagnose zu Erkennung von Gleichstrom wertet dieses Phänomen aus, indem sie die Differenzen der positiven und negativen Spitzenwerte über ein Abtastintervall des Zählers nimmt. Das Ergebnis der Summation der Strom-Abtastwerte über ein Zeitintervall muss ein Wert in der Nähe von Null sein, wenn kein Gleichstrom vorhanden ist. Wenn Gleichstrom vorhanden ist, wird der aufsummierte Wert wesentlich größer sein. Dieses Verfahren, das im Folgenden Kammfilter-Verfahren genannt wird, liefert unabhängig von der Phase und der Signalform des begleitenden Wechselstroms genaue Ergebnisse.
Da die Zähler, in denen die vorliegende Erfindung benutzt wird, typischerweise Mehrphasen-Zähler sind, was bedeutet, dass der Zähler zwei oder drei Phasenströme misst, ist es möglich, dass jemand den Zähler manipuliert, indem er einen Einweg-Gleichrichter über der Last hinzufügt, um Gleichstrom in der Installation zu erzeugen. Dieser Schaltkreis kann in einer einzelnen Phase hinzugefügt werden. Aus diesem Grund muss die Diagnose zur Erkennung von Gleichstrom in die Lage versetzt werden, Gleichstrom pro Phase zu erkennen.
Das Kammfilter-Verfahren zur Berechnung eines Gleichstrom-Erkennungs-Wertes pro Phase wird im Flussdiagramm der 19 gezeigt. Das Verfahren umfasst während jedes Abtastintervalls die folgenden Schritte:

(1) Das Vorzeichen des ersten Spannungs-Abtastwertes in jedem Intervall wird aufgezeichnet;
(2) Unter Verwendung des Vorzeichens des ersten Sprach-Abtastwertes wird der Nulldurchgang der ersten Spannung erkannt;
(3) Summation des zweiten Abtastwertes des Stroms nach dem Spannungs-Nulldurchgang im Strom-Spitzenwert-Speicher (dieser ist ungefähr 90°);
(4) Aufsummation jedes vierten Strom-Abtastwertes nach dem Anfangs-Strom-Abtastwert im Strom-Spitzenwert-Speicher (ungefähr 180° auseinander);
(5) Wiederholung von Schritt 4; und
(6) Am Ende des Abtastintervalls Division des aufsummierten Strom-Spitzenwertes durch den geeigneten Strom, der während des Intervalls verwendet wird. Dies hat den Effekt, dass das Ergebnis für drei verschiedene Verstärkungsbereiche, die für den Strom vorhanden sind, normiert wird. Außerdem wird der Speicher für das nächste Abtastintervall auf Null gesetzt.

Das Ergebnis der Division in Schritt 6 ist ein Wert ohne Einheit, der direkt proportional zur Menge des Gleichstroms ist, der auf dieser Phase vorliegt. Dieser Wert wird als Gleichstrom-Erkennungs-Wert bezeichnet. Dieser Gleichstrom-Erkennungs-Wert wird mit einem vorher ausgewählten Erkennungs-Schwellwert verglichen, um festzustellen, ob Gleichstrom vorhanden ist. In der bevorzugten Ausführung wird der Erkennungs-Schwellwert auf 3000 gesetzt, da man herausgefunden hat, dass ein Wert von 3000 ein geeigneter Schwellwert sowohl für 200-Ampere-, als auch für 20-Ampere-Zähler ist.
Diese Diagnose nutzt die A/D-Abtastung, um Spannung und Strom jeder Phase festzustellen, die für jedes Abtastintervall (typischerweise 1 Sekunde) 481 mal abgetastet werden. Mit dem Strom jeder Phase ist eine Verstärkung verbunden. Diese Verstärkung kann sich jedes Abtastintervall ändern, wenn sich die Größe des Stroms schnell genug ändert. Diese Tatsache ist wichtig bei der Erkennung von Gleichstrom, da es das Erkennungs-Verfahren erfordert, über eine Zeitspanne abgetastete Stromwerte aufzusummieren. Wenn eine Zeitspanne gewählt wird, die größer als ein Abtastintervall ist, besteht die Möglichkeit, dass die Summe der Stromwerte Abtastwerte enthält, die mit anderen Verstärkungsbereichen erfasst wurden, und somit die aufsummierten Abtastwerte ihre Aussagekraft verlieren. Somit ist es wichtig, dass die resultierenden aufsummierten Strom-Spitzenwerte durch die geeignete Stromverstärkung normiert werden, die während jedes Intervalls benutzt wird, wie im obigen Schritt (6) spezifiziert.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Berechnung eines Gleichstrom-Erkennungs-Wertes während eines einzelnen Abtastintervalls nur für eine Phase erfolgt. Somit wird anders als bei den anderen Diagnosen, die vorzugsweise vom Zähler mindestens einmal alle 5 Abtastintervalle durchgeführt werden (typischerweise alle 5 Sekunden), jede der möglicherweise drei Phasen in Intervallen von 5 Sekunden drei aufeinander folgende Male überprüft, so dass sich eine Gesamt-Abtastzeit von 15 Sekunden pro Phase ergibt. Somit ist die für eine komplette Überprüfung auf Strom-Signalform-Störungen benötigte Gesamtzeit 45 Sekunden (15 Sekunden für jede der Phasen A, B und C).
Wenn sich herausstellt, dass für alle drei aufeinander folgende Intervalle für eine bestimmte Phase der Gleichstrom-Erkennungs-Wert größer als der gewählte Erkennungs-Schwellwert ist, wird aufgezeichnet, dass auf dieser Phase Gleichstrom vorhanden ist. Nachdem alle drei Phasen überprüft wurden, wird wenn auf einer beliebigen Phase Gleichstrom aufgezeichnet wurde, die Diagnose eingeschaltet. Wenn ein Intervall von 45 Sekunden abgelaufen ist, in dem auf jeder Phase kein Fehler gefunden wurde, wird die Diagnose abgeschaltet.
Man kann erkennen, dass der Erkennungs-Schwellwert auf einen Gleichstrom-Wert eingestellt werden muss, bei dem der Strom-Transformator im Zähler beginnt sich zu verschlechtern, so dass ein Diagnose-Fehler Nr. 5 erkannt und aufgezeichnet werden kann, bevor dieser Gleichstrom-Wert erreicht wird.
Mit Bezug auf 20 ruft die Diagnose die Phasen-Überprüfungs-Routine dreimal für jede der drei Phasen auf. Die Phasen-Überprüfungs-Routine summiert dann Strom-Abtastwerte, normiert die aufsummierten Werte und speichert den Wert als Gleichstrom-Erkennungs-Wert DV_n für jedes der drei Abtastintervalle für diese Phase.
Mit erneutem Bezug auf 19 beginnt die Routine Diagnosetest Nr. 5 (Check DIAG #5) an 200 damit, dass der Intervall-Zählwert und jeder der Fehlerzähler für Phase A, Phase B und Phase C (PHA ERRCT, PHB ERRCT und PHC ERRCT) gelöscht wird. Der Intervallzähler kann ein Modulo-9-Zähler sein, der von dem Wert 0–8 und dann zurück auf 0 inkrementiert wird, usw. Für jedes der ersten drei 5-Sekunden-Intervalle (d.h. Intervall-Zählwert = 0, 1 oder 2) führt die Routine in 202 eine Phasen-Überprüfung für Phase A durch. Für die nächsten drei 5-Sekunden-Intervalle (d.h. Intervall-Zählwert = 3, 4 oder 5) führt die Routine in 204 eine Phasen-Überprüfung für Phase B durch. Und für die letzten drei 5-Sekunden-Intervalle (d.h. Intervall-Zählwert = 6, 7 oder 8) des 45-Sekunden-Diagnose-Zyklus führt die Routine in 206 eine Phasen-Überprüfung für Phase C durch.
Bei Beendigung jeder Phasen-Überprüfungs-Routine für Phase A bestimmt die Vorrichtung in 208, ob der Gleichstrom-Erkennungs-Wert größer als der Erkennungs-Schwellwert ist und inkrementiert den Fehlerzähler für Phase A (Phase A ERRCT), wenn der Gleichstrom-Erkennungs-Wert größer als der Schwellwert ist. Die Phasen-Überprüfungs-Routine wird dann dreimal für Phase B aufgerufen. Wieder bestimmt, nachdem jede Phasen-Überprüfungs-Routine beendet ist, die Vorrichtung in 210, ob der Gleichstrom-Erkennungs-Wert größer als der Erkennungs-Schwellwert ist und stellt den Fehlerzähler für Phase B (Phase B ERRCT) entsprechend ein. Die Phasen-Überprüfungs-Routine wird dann für Phase C aufgerufen. Wieder vergleicht die Vorrichtung in 212 den aufgetretenen Gleichstrom-Erkennungs-Wert für Phase C mit dem Erkennungs-Schwellwert ist und inkrementiert den Fehlerzähler für Phase C (Phase C ERRCT) entsprechend.
Die Vorrichtung bestimmt dann in 214, ob einer der Fehlerzähler für Phase A, Phase B oder Phase C gleich 3 ist. Falls ja, wurde auf dieser Phase für drei aufeinander folgende Abtastintervalle ein Gleichstrom erkannt, die Vorrichtung verzeichnet in 216 für jede Phase, für die ERRCT = 3 ist, einen Diagnose-Fehler Nr. 5 im Fehlerzähler für Phase A, Phase B oder Phase C (PHA CHK FAILURE, PHB CHK FAILURE, bzw. PHC CHK FAILURE). In jedem Fall wird in 218 jeder der Fehlerzähler PHA, PHB und PHC CHK FAILURE zum Diagnose-Zähler Nr. 5 (der die Gesamtzahl aufsummierter Fehler DIAG #5 anzeigt) hinzuaddiert, und die Diagnose wird beendet.
Somit wird am Ende eines 45-Sekunden-Abtastintervalls, nachdem jede Phase dreimal überprüft wurde, ein Diagnose-Fehler Nr. 5 aufgezeichnet, wenn irgendeiner der Fehlerzähler der drei Phasen Fehler bei allen drei Überprüfungen registriert hat. Der im Toolbox-Modus ausgegebene Zählerstand für Diagnose-Fehler Nr. 5 (DIAG #5 ERROR COUNTER) ist die Summe der drei Gleichstrom-Erkennungs-Zähler für jede Phase.
Automatische Erkennung der Art des elektrischen Anschlusses
In einer Ausführung der Erfindung enthält die Vorrichtung zusätzlich Logik zur automatischen Erkennung der vom Zähler unterstützten Art des elektrischen Anschlusses auf der Basis des vorprogrammierten Formfaktors des Zählers und des Winkel-Versatzes der Spannungsvektoren V_A und V_C. Diese Funktion macht es überflüssig, dass der Anwender vor der Installation die Art des elektrischen Anschlusses in den Zähler programmieren muss und erlaubt es dem Kunden, die flexiblen Einsatzmöglichkeiten des Zählers für mehrere elektrische Anschlussarten vollständig zu nutzen und verringert die Anforderungen an die Lagerhaltung des Kunden. Zusätzlich dazu garantiert die Funktion zur automatischen Erkennung der Art des elektrischen Anschlusses, dass der Zähler und jede der freigegebenen System- und Installations-Diagnosen bei der Installation mit minimaler vorheriger Programmierung korrekt arbeiten. Schließlich erlaubt die Funktion zur automatischen Erkennung der Art des elektrischen Anschlusses die Neuinstallation eines Zählers aus einem elektrischen Anschluss in einem anderen, ohne dass die Änderung der vom Zähler unterstützten Art des elektrischen Anschlusses programmiert werden muss.
Mit Bezug auf 21 enthält die Vorrichtung in einer Ausführung zusätzlich Logik zur automatischen Erkennung der Art des elektrischen Anschlusses für die Zähler, die auf die Formen 5S, 6S, 9S, 12S, 16S, 26S, 5A, 6A, 8A und 10A programmiert wurden. Jede der unterschiedlichen Arten des elektrischen Anschlusses in einer der in 19 gezeigten Form-Gruppen hat für eine symmetrische Widerstands-Last ein eindeutiges Zeigerdiagramm, das die Winkel-Position jeder der einzelnen Phasen-Ströme und Spannungen bezogen auf die Spannung der Phase A zeigt. In einer wirklichen Anwendung werden die Stromzeiger durch die sich ändernden Lasten aus dieser Position für eine symmetrische Widerstands-Last verschoben. Die Spannungszeiger ändern sich jedoch nicht mit der Last und müssen sich innerhalb von ein bis zwei Grad der Positionen für eine symmetrische Widerstands-Last befinden. Da der Spannungszeiger der Phase B bei den Zwei-Element-Zählern und beim 6S-(6A)-Zähler nicht vorhanden ist, wird diese Spannung nachgebildet. Der Spannungszeiger der Phase C ist jedoch bei allen verschiedenen Formen und elektrischen Anschlussarten vorhanden und wird bezogen auf die Spannung der Phase A gemessen. Somit wird für die in 21 gezeigten Zähler-Formen eine Überprüfung der Winkelposition der Spannungszeiger der Phase C bezogen auf den Spannungszeiger der Phase A alleine die erforderliche Information liefern, in welcher Anschlussart sich der Zähler befindet.
Die einzige Ausnahme von dieser Regel ist, dass in der Gruppe der Form 5S, 5A, 26S der Netzwerk- und der Vierleiter-Sternschaltungs-Anschluss durch eine einfache Untersuchung der Position der Spannungszeiger der Phase C und der Phase A nicht unterschieden werden können. In der hier beschrie benen Ausführung der Vorrichtung nimmt die Vorrichtung unter diesen Bedingungen einfach einen Vierleiter-Sternschaltungs-Anschluss an.
Somit kann, wie in 21 gezeigt, wenn der Formfaktor des Zählers bekannt ist, die Art des elektrischen Anschlusses oft durch Messung des Winkel-Versatzes der Spannungs-Faktoren bestimmt werden. Insbesondere unterstützt jeder Zähler der Formen 8A, 10A, 9S und 16S den Vierleiter-Sternschaltungs- und den Vierleiter-Dreieckschaltungs-Anschluss. Da der Versatz der Spannungszeiger V_A und V_C bei Vierleiter-Sternschaltungs- und Vierleiter-Dreieckschaltungs-Systemen unterschiedlich ist (120°, bzw. 90° für eine ABC-Drehung), bestimmt die Vorrichtung nach einer angemessenen Zeitverzögerung nach dem Einschalten, um gültige Winkelmessungen der Vorrichtung für die von der Vorrichtung berechneten Zeiger sicherzustellen, den Versatz zwischen den Spannungszeigern V_A und V_C und bestimmt auf der Grundlage dieses Versatzes, ob der Zähler in einem Vierleiter-Sternschaltungs- oder einem Vierleiter-Dreieckschaltungs-System installiert ist.
Auf ähnliche Weise bestimmt die Vorrichtung für die Zähler-Formen 6S oder 6A, ob der Versatz der Zeiger V_A und V_C innerhalb eines akzeptierbaren Bereichs von 120° liegt, vorzugsweise plus oder minus 10°, um sicherzustellen, dass der Zähler in der richtigen Vierleiter-Sternschaltung installiert ist, die er unterstützt. Für 12S-Zähler bestimmt die Vorrichtung, ob der Winkel der Zeiger V_A und V_C sich innerhalb einer akzeptablen Grenze um 60°, 120° oder 180° befindet, und stellt fest, falls ja, dass der Zähler in einer Dreileiter-Dreieckschaltung, einer Netzwerk-, bzw. in einer Einphasen-Schaltung installiert ist. Schließlich untersucht die Vorrichtung für die Formen 5S, 5A und 26S die Zeiger V_A und V_C, um festzustellen, ob sich ihr Winkel innerhalb akzeptierbarer Grenzen für die Dreileiter-Dreieckschaltung (60°), die Vierleiter-Dreieckschaltung (90°) oder die Vierleiter-Sternschaltung (120°) befindet, und falls ja, zeichnet sie die entsprechende Art des elektrischen Anschlusses auf.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass im Fall der Formen 5S, 5A und 26S die Vorrichtung nicht zwischen der Vierleiter-Sternschaltung und dem Netzwerk-Anschluss unterscheiden kann, da der Winkel zwischen den Zeigern V_A und V_C für beide Arten des elektrischen Anschlusses bei ABC-Drehung 120° ist. Da jedoch nicht viele Energieversorgungsbetriebe 5S in einem Netzwerk-Anschluss benutzen, nimmt die Vorrichtung in einer Ausführung einfach an, dass ein V_A/V_C-Winkelversatz von 120° eine Vierleiter-Sternschaltung ist. Man erkennt, dass wenn der Zähler tatsächlich in einer Netzwerk-Schaltung verwendet wird, der Zähler weiter korrekt funktioniert, obwohl die Funktion zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses feststellt, dass der Zähler in einer Vierleiter-Sternschaltung installiert ist. Da bei der Vierleiter-Sternschaltung jedoch eine Phasenverschiebung von 30° zwischen Strom (I) und Spannung M vorliegt, und da die Strom- und Spannungszeiger in einer Netzwerk-Schaltung zueinander nicht verschoben sind, können einige Diagnose-Berechnungen, wie z.B. die hier beschriebenen Diagnosen 1 und 4 fälschlicherweise Fehler anzeigen, wenn ein Zähler der Form 5S, 5A oder 26S, der die oben beschriebene Funktion zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses enthält, in einer Netzwerk-Schaltung verwendet wird.
Man kann erkennen, dass die Vorrichtung auf ähnliche Weise implementiert werden kann, um die Art des elektrischen Anschlusses automatisch zu bestimmen, in der Zähler anderer Formen installiert sind, entweder durch Untersuchung der Spannungszeiger und/oder anderer Informationen, die durch die automatische System-Diagnose erfasst werden.
Es muss auch darauf hingewiesen werden, dass die in 21 gezeigten Winkel-Versätze für die ABC-Reihenfolge gelten. Die Vorrichtung überprüft auch vorzugsweise die Winkel-Versatz-Werte von V_A und V_C für ABC-Drehungen, wenn sie die Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses durchführt. Man kann erkennen, dass bei CBA-Drehung der Spannungszeiger der Phase C V_C 360° minus der in 21 gezeigten Lage von V_C ist.
Die 22 und 23 zeigen ein Flussdiagramm der Funktion zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses, die in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Jedes Mal, wenn der Zähler eingeschaltet wird oder wenn die System-Diagnose neu konfiguriert wird, führt der Zähler die System-Überprüfungs-Funktion aus. Dies kann ausgelöst werden, indem die Art des elektrischen Anschlusses auf einen ungültigen Wert gesetzt wird. Die Vorrichtung wird dann beim Einschalten oder bei der Neukonfiguration, zum Beispiel nach einem Stromausfall, den ungültigen Wert erkennen und automatisch mit der Bestimmung einer gültigen elektrischen Anschlussart beginnen.
Damit der Zähler sich ausgleichen kann und gültige Winkelmessungen für die fünf zu berechnenden Zeiger liefert, wird für eine vorher festgelegte Zeit eine Diagnose-Verzögerung eingestellt, vorzugsweise ungefähr 8 Sekunden für einen Zähler, der mit 60 Hz arbeitet. Während diese Verzögerung aktiv ist, arbeitet daher die Funktion zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses nicht, da es sein kann, dass die Werte der Zeiger V_A und V_C nicht zuverlässig sind. Nach dem Ablauf der Diagnose-Verzögerungszeit wird die Funktion zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses am Ende jedes Abtastintervalls aktiviert (eine Sekunde bei 60 Hz), bis ein gültiger elektrischer Anschluss gefunden wurde. Wenn kein gültiger elektrischer Anschluss gefunden wurde und alle Diagnosen in der Vorrichtung freigegeben wurden, wird der Fehler, keinen gültigen elektrischen Anschluss gefunden zu haben, als Diagnose-Fehler Nr. 1 aufgezeichnet. Wenn keine Diagnosen freigegeben sind, wird der Fehler des ungültigen elektrischen Anschlusses nicht aufgezeichnet. In einer Ausführung der Vorrichtung, in der die Funktion zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses genutzt wird, wird der Diagnose-Fehler Nr. 1 für einen ungültigen elektrischen Anschluss nicht auf der Anzeige gemeldet, es sei denn, Diagnose Nr. 1 ist auf Scroll oder Lock geschaltet, wie hier beschrieben.
Solange kein gültiger elektrischer Anschluss gefunden wird, wird die Diagnose nicht überprüft. Wenn ein gültiger elektrischer Anschluss festgestellt wurde, wird die Art des elektrischen Anschlusses in der Vorrichtung gespeichert, die Funktion zur Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses wird beendet, und der Zähler beginnt damit, in jedem Abtastintervall für die freigegebenen Diagnosen Diagnose-Überprüfungen durchzuführen, wie im Folgenden beschrieben.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung die Funktion des Diagnose-Fehlers Nr. 1 sich leicht vom normalen Diagnose-Fehler Nr. 1 unterscheidet, wenn ein Fehler bei der Erkennung der Art des elektrischen Anschlusses auftritt. Wenn die Art des elektrischen Anschlusses nicht automatisch in der ersten Überprüfung gefunden wird, wird ein Diagnose-Fehler Nr. 1 aktiviert, vorausgesetzt mindestens eine System-Diagnose-Funktion ist in der Vorrichtung aktiviert. Sobald ein gültiger elektrischer Anschluss gefunden wird, wird der Diagnose-Fehler Nr. 1 sofort gelöscht. Der Fehler wird nur auf der Anzeige dargestellt, wenn die Diagnose Nr. 1 auf Scroll oder Lock eingestellt ist. Der Fehler wird immer im Zähler für Diagnose-Fehler Nr. 1 aufgezeichnet, vorausgesetzt dass eine der System-Diagnosen freigegeben ist. Wenn keine der System-Diagnosen freigegeben ist, wird der Fehler nicht aufgezeichnet. Dies gibt dem Anwender die Möglichkeit, alle Warnungen abzuschalten.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass in den in den 22 und 23 gezeigten Implementationen die Vorrichtung eine Toleranz, vorzugsweise plus oder minus 10°, für die Lage der Spannungszeiger erlaubt, um die Diagnose zu bestehen. Diese Toleranz hat sich angesichts der begrenzten Varianz der Spannungszeiger, typischerweise innerhalb von ein oder zwei Grad bezüglich ihrer Lage bei einer symmetrischen Widerstands-Last, für den Betrieb im Feld als geeignet herausgestellt.
Anwender-Definition der Diagnosen
Die Vorrichtung erlaubt es dem Anwender vorzugsweise, die Ausführung einer beliebigen oder mehrerer System-Diagnosen bei der Installation des Zählers freizugeben oder zu sperren. Wenn die Diagnosen implementiert sind, liefert die Vorrichtung auch vom Anwender definierte Parameter, vorzugsweise wie unten beschrieben.
Um eine der oben beschriebenen Diagnose-Überprüfungen zu aktivieren oder zu deaktivieren, muss der Anwender für jede der von der Vorrichtung unterstützte Diagnose-Überprüfung auf die folgenden Arten von Aufforderungen in der Programmier-Software antworten:
"Diagnostic #N disable"
Für jede "Diagnose N" (wobei N eine der Diagnose-Nummern 1–4 darstellt) erhält der Anwender bei Druck auf die Taste Return ein Menü, das vorzugsweise die folgenden Optionen enthält:
Disable
Ignore
Lock
Scroll
Die Option Disable sperrt die Implementation dieser Diagnose.
Die Option Ignore, wenn implementiert, bedeutet dass die Diagnose die Meldung einer Fehlerbedingung auslöst (wie im Folgenden beschrieben), aber sie nicht angezeigt wird.
Die Option Lock, wenn implementiert, bewirkt, dass der Zähler auf der Anzeige der Diagnose-Fehlermeldung verriegelt wird, wenn ein Diagnose-Fehler festgestellt wird.
Die Option Scroll, wenn implementiert, bewirkt, dass eine Diagnose-Fehlermeldung, wenn sie festgestellt wird, während der "Aus-Zeit" zwischen jedem Anzeige-Punkt im Normalbetrieb angezeigt wird.
Zusätzlich zu der oben angegebenen Aufforderung wird der Anwender aufgefordert, die Art des elektrischen Anschlusses (z.B. Vierleiter-Sternschaltung) zu programmieren, die von der speziellen Zähler-Installation unterstützt wird.
Für Diagnose Nr. 2 wird der Anwender auch aufgefordert, die Toleranz für alle Spannungen zu programmieren, indem er als Antwort auf die folgende Aufforderung eine Zahl (die vorzugsweise der Toleranz in Prozent entspricht) eingibt:
Diagnostic #2 Percent Tolerance: ...
Für Diagnose Nr. 3 wird der Anwender vorzugsweise aufgefordert, als Antwort auf die folgende Aufforderung einen akzeptierbaren Mindest-Strompegel zu programmieren:
Diagnostic #3 Minimum Current: ...
Diagnose Nr. 4 fordert den Anwender vorzugsweise auf, die zulässige Winkeldifferenz zu programmieren, indem er eine Zahl (1–90°) als Antwort auf die folgende Aufforderung eingibt:
Diagnostic #4 Tolerance Angle: ...
Wenn entweder die Option Lock oder Scroll gewählt wurde, zeigt der Zähler die folgende Nachricht an, sobald ein Diagnose-Fehler erkannt wurde:
Er DIAG N (wobei N die Diagnose-Nummer ist)
Auch wird die Anzahl des Auftretens dieses Fehlerzählers immer dann, wenn der Fehler erkannt wird, um eins inkrementiert. Wie bereits erwähnt, wird in der bevorzugten Ausführung jedoch die System-Rückmeldung und die erste Anzeige eines Diagnose-Fehlers erst auftreten, wenn die Fehlerbedingung in drei aufeinander folgenden Überprüfungen vorhanden war. Auf die gleiche Weise wird der Fehler erst aus der Anzeige gelöscht, wenn er für zwei aufeinander folgende Überprüfungen nicht mehr vorhanden ist.
Wieder wird abhängig davon, wie die Vorrichtung bei der Installation programmiert wurde, die Anzeige entweder mit der Fehlermeldung verriegelt, oder die Fehlermeldung rollt durch, indem sie während der "Aus-Zeit" zwischen jedem Anzeige-Punkt im Normalbetrieb angezeigt wird. Verschiedene andere Fehleranzeige-Systeme können verwendet werden, die im Einklang zu den Lehren der vorliegenden Erfindung sind.
Zähler-Selbsttests
Die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung ist auch vorzugsweise geeignet programmiert, um regelmäßig eine Reihe von Zähler-Selbsttests durchzuführen, und wenn Fehler erkannt werden, zeichnet die Vorrichtung das Vorliegen einer Fehlerbedingung auf, zeigt einen Fehlercode an, der dem Typ des erkannten Fehlers entspricht und ergreift abhängig vom Typ des Fehlers weitere geeignete Aktionen.
Die Vorrichtung implementiert vorzugsweise eine Reihe von Routinen, die regelmäßig eine Überprüfung auf schwere und nicht schwere Fehler durchführen. Fehler werden als schwer klassifiziert, wenn der erkannte Fehler Abrechnungs-Daten zerstört haben kann oder wenn der erkannte Fehler bewirken kann, dass der Zähler in Zukunft unzuverlässig arbeitet. Die Vorrichtung 20 führt vorzugsweise Zähler-Selbsttests des internen RAM des Zähler-Register-Moduls, des ROM des Register-Moduls, des EEPROM des Register-Moduls, ein unechtes Zurücksetzen (RESET) des Register-Moduls und des internen RAM, ROM und EEPROM des Eingangs-Moduls durch. Diese Zähler-Komponenten werden vorzugsweise überprüft, wenn nach einem Stromausfall die Stromversorgung wieder an den Zähler angelegt wird, oder wenn der Zähler neu konfiguriert wird. Wenn ein RAM-, ROM-, EEPROM-Fehler, ein Fehler des Eingangs-Modul-Prozessors oder ein anderer schwerer Fehler erkannt wird, zeigt die Vorrichtung 20 einen vorher festgelegten Fehlercode, der dem erkannten Fehler entspricht an, verriegelt die Anzeige mit dem Fehlercode, bis der Zähler neu initialisiert wird und beendet alle Zählfunktionen mit Ausnahme der Kommunikation.
Die Vorrichtung 20 überprüft, ob ein Ausschalt-Fehler vorliegt, indem sie feststellt, ob der Register-Modul-Prozessor einen Hardware-RESET bekommen hat, ohne zuerst eine vorher festgelegte Ausschalt-Routine zu durchlaufen. Dies kann auftreten, wenn eine Spannungsspitze auf der Stromversorgungsleitung kurzzeitig die RESET-Leitung setzt. Ein Verfahren zur Überprüfung auf einen unechten RESET ist es, als letzter Schritt der Behandlung eines Stromausfalls ein spezielles Byte in das Register-EEPROM zu schreiben. Wenn dieses spezielle Byte beim Einschalten nicht vorhanden ist, ist ein unechter RESET aufgetreten. Die Vorrichtung 20 zeigt dann den Ausschalt-Fehlercode und beendet alle Funktionen mit Ausnahme der Kommunikation.
Auf ähnliche Weise sucht die Vorrichtung RAM-, ROM-, EEPROM- und Prozessor-Fehler im Eingangs-Modul, wie oben beschrieben. In der Ausführung, die in den in 3 gezeigten Zähler integriert ist, beendet das Eingangs-Modul die Kommunikation mit dem Register-Modul, wenn irgendein schwerer Fehler des Eingangs-Moduls aufgetreten ist. Wenn das Eingangs-Modul länger als fünf Sekunden nicht mit dem Register-Modul kommunizieren kann, wird angenommen, dass einer dieser Fehler erkannt wurde, der Eingangs-Prozessor-Fehlercode wird angezeigt, und die RESET-Leitung des 68HC11 wird gesetzt, bis das Eingangs-Modul den Normalbetrieb wieder aufnimmt.
Die von der Vorrichtung implementierten Zähler-Selbsttests umfassen vorzugsweise auch eine Reihe nicht schwerer Fehler, wie z.B. Register-Endausschlags-Überlauf, System-Uhr, Benutzungszeit (TOU), Massenspeicher, Umkehrung des Energieflusses und leere Batterien.
Zum Beispiel wird ein Register-Endausschlags-Überlauf-Fehler aufgezeichnet, wenn das oberste kW-Register einen vorprogrammierten Register-Endauschlags-Wert überschreitet. Wenn dieses Ereignis erkant wird, zeigt die Vorrichtung einen Register-Endausschlags-Überlauf-Fehler an, wobei der Fehler gelöscht wird, wenn der Zähler zurückgesetzt wird oder wenn der Fehler durch eine vordefinierte Programmierungs-Vorrichtung gelöscht wird.
Ein Uhr-Fehler wird aufgezeichnet, wenn die Minute, die Stunde, das Datum oder der Monat außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegen. Wenn ein Uhr-Fehler auftritt, werden die TOU- und Massenspeicher-Optionen gesperrt und die Aufzeichnung von Intervall-Daten wird beendet, bis der Zähler rekonfiguriert wird.
Ein TOU-Fehler wird aufgezeichnet, wenn ein interner TOU-Parameter beschädigt wird, und einen Wert außerhalb seines vordefinierten akzeptierten Bereichs enthält. Wenn ein TOU-Fehler auftritt, wird der entsprechende Fehlercode angezeigt, und die TOU-Option wird gesperrt.
Ein Massenspeicher-Fehler wird aufgezeichnet, wenn ein interner Massenspeicher-Parameter beschädigt ist oder außerhalb seines vordefinierten akzeptierbaren Bereichs liegt. Wenn ein Massenspeicher-Fehler auftritt, wird der entsprechende Fehlercode angezeigt, und die Massenspeicher-Option wird gesperrt.
Ein Energiefluss-Umkehrungs-Fehler wird aufgezeichnet, wenn das Eingangs-Modul das Äquivalent zu einer kompletten und kontinuierlichen Dre hung der Scheibe in Gegenrichtung erkennt. Dieser Fehler wird unabhängig davon aufgezeichnet, ob die Energie gesperrt ist oder nicht.
Ein Batteriespannungs-Fehler wird aufgezeichnet, wenn das Signal LOBAT am integrierten Stromversorgungs-Schaltkreis gesetzt wird, wenn sein Pegel überprüft wird. Wenn ein Batteriespannungs-Fehler erkannt wird, wird der entsprechende Fehlercode angezeigt, und wie beim Uhr-Fehler werden alle TOU- und Massenspeicher-Optionen gesperrt. Wenn die Batterie vor einem Stromausfall ersetzt wird, wird der Batteriespannungs-Fehler gelöscht, wenn die Batteriespannung über einen vordefinierten Grenzwert steigt. Wenn die Batteriespannung jedoch unter dem Grenzwert lag und ein Stromausfall aufgetreten ist, muss der Zähler rekonfiguriert werden, um den Fehler zu löschen.
Die Vorrichtung überprüft vorzugsweise auch Register-Endausschlags-Überläufe am Ende jedes Anforderungs-Intervalls und sucht Uhr-, TOU- und Massenspeicher-Fehler beim Einschalten, bei 2300 Stunden und bei jeder Art von Zähler-Rekonfiguration. Der Energiefluss-Umkehrungs-Fehler wird von der Vorrichtung vorzugsweise jede Sekunde überprüft, und der Batteriespannungs-Fehler wird beim Einschalten und einmal in jedem Intervall überprüft.
In der bevorzugten Ausführung der Vorrichtung 20 erlaubt es die Vorrichtung dem Anwender auszuwählen, welche der Zähler-Selbsttests implementiert werden. In der bevorzugten Ausführung wird die Vorrichtung, wenn einer der ausgewählten nicht schweren Fehler erkannt wird, einen vorher festgelegten Fehlercode, der dem erkannten Fehler entspricht, während der Aus-Zeit zwischen den normalen Anzeige-Punkten anzeigen. Alternativ kann es die Vorrichtung dem Anwender erlauben, die Vorrichtung so zu programmieren, dass die Anzeige mit dem Fehlercode eines beliebigen nicht schweren Fehlers verriegelt wird, sobald ein solcher Fehler erkannt wird. In diesem Fall wird die Aktivierung eines Schalters durch den Anwender es bewirken, dass der Zähler die normale Anzeige-Liste einmal durchrollen lässt und dann wieder auf der Anzeige des nicht schweren Fehlers stehen bleibt.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass in der bevorzugten Ausführung die Überprüfung auf schwere Fehler nicht ausgeschaltet werden kann. Wenn ein nicht schwerer Fehler nicht ausgewählt wird, wird er nicht angezeigt oder aufgezeichnet.
Ein Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Anzeige-Verfahren implementiert werden können. Zum Beispiel kann die Vorrichtung programmiert werden, um die Anzeige mit dem Fehlercode zu verriegeln, der einem erkannten nicht schweren Fehler entspricht, bis ein Magnetschalter aktiviert wird. Bei Aktivierung des Magnetschalters kann die Anzeige dann ihre normale Ausgabe durchrollen und dann wieder auf der Anzeige des nicht schweren Fehlers anhalten. Alternativ dazu kann die Vorrichtung so programmiert werden, dass eine vordefinierte Anzeige-Liste durchrollt und regelmäßig alle nicht schweren Fehler angezeigt werden.
Weitere Zähler-Komponenten können auf gleiche Weise regelmäßig überprüft werden, wozu herkömmliche Mittel und die zugeordneten Fehlercodes verwendet werden können, die angezeigt werden können, wenn es zur Warnung des Anwenders vor möglicher Verfälschung von Daten oder einem unzuverlässigen Betrieb des Zählers angebracht ist.
Toolbox-Modus
Die Diagnose-Toolbox ist ein fester ausgewählter Satz von Anzeige-Punkten, vorzugsweise in dem in 14 gezeigten Format. In der bevorzugten Ausführung wird auf die Toolbox-Anzeige über einen magnetischen Reed-Schalter zugegriffen, der sich in der 12-Uhr-Position der Zähler-Frontplatte befindet und aktiviert wird, indem man einen Magneten für mindestens 5 Se kunden in die Nähe des Reed-Schalters hält. Dies kann vom Anwender durchgeführt werden, indem er einen Magneten auf den Zähler legt.
Wenn auf sie zugegriffen wird, werden die Toolbox-Anzeige-Punkte einzeln und in der angegebenen Reihenfolge angezeigt, wie in 14 gezeigt. Wenn der Zähler sich im Toolbox-Anzeige-Modus befindet, wird er alle Toolbox-Anzeige-Punkte mindestens einmal durchrollen lassen. Wenn der Magnet entfernt wird, beendet der Zähler das Durchrollen am Ende der Toolbox-Anzeige-Liste und kehrt in den Normalbetrieb zurück. Während der gesamten Zeit, die der Zähler sich im Toolbox-Modus befindet, blinkt das Signal TEST zweimal pro Sekunde.
Alle Diagnose-Fehlerzähler (# DIAG Error Counter) werden vorzugsweise durch eine externe Vorrichtung gelöscht, wie z.B. durch einen tragbaren Personal-Computer, oder über die normale Kommunikation. In der bevorzugten Ausführung ist der Maximalwert jedes Zählers 255.
Während der Zähler sich im Toolbox-Modus befindet, führt er die Zähler-Operationen wie üblich weiterhin durch. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Betrieb des Zählers nicht beeinträchtigt wird, auch wenn der Magnet längere Zeit oben auf dem Zähler gelassen wird. Die Vorrichtung aktualisiert kontinuierlich die angezeigten Toolbox-Werte, da sie ihren Wert während der gesamten Zeit, die der Zähler im Toolbox-Modus ist, ändern.
Im Toolbox-Modus rollt der Watt-Scheiben-Emulator mit der Rate von einer Umdrehung alle 1,33 Sekunden in Richtung des Energieflusses der Phase, für welche die Information zu dem Zeitpunkt angezeigt wird. Während Spannung, Strom, Spannungs-Winkel und Strom-Winkel zum Beispiel für Phase A angezeigt werden, rollt der Watt-Scheiben-Emulator einmal pro Sekunde in Richtung des Energieflusses der Phase A. Sobald die Werte der Phase B (falls vorhanden) angezeigt werden, kehrt der Watt-Scheiben-Emulator die Richtung um, wenn der Energiefluss in Phase B dem in Phase A entgegen gesetzt ist. Der Watt-Scheiben-Emulator wird ausgeschaltet, während die vier Diagnose-Fehler-Zähler angezeigt werden.
Da der Kunde eine kontinuierliche Potential-Anzeige fordert, sind drei Potential-Anzeigen, vorzugsweise mit V_A, V_B und V_C bezeichnet, auf der Anzeige vorhanden. Diese Anzeigen sind "EIN", solange die entsprechende Spannung über dem vordefinierten Schwellwert liegt. Der Schwellwert wird vorzugsweise als 75% der kleinsten Nennspannung definiert, mit der der Zähler arbeiten kann. Wenn irgendeine Spannung unter den Schwellwert fällt, blinkt seine Anzeige, vorzugsweise mit einer Rate von zweimal pro Sekunde.
Wenn mehr als ein Fehler gleichzeitig vorliegt, wird auf der Basis einer vordefinierten Priorität die Information bezüglich nur eines der Fehler angezeigt. In der bevorzugten Ausführung der Vorrichtung werden folgende Prioritäten festgelegt:

1. Zähler-Selbsttest-Fehler haben Priorität vor System- und Installations-Diagnose-Fehlern.
2. Da nur ein System- und Installations-Diagnose-Fehler zu einem Zeitpunkt angezeigt werden kann, ist der Fehler mit der höchsten Priorität derjenige, der unter Verwendung einer vordefinierten Prioritätsliste angezeigt wird.

Wenn zwei oder mehr System- und Installations-Diagnose-Fehler vorliegen, wird der Fehler mit der höchsten Priorität angezeigt und das Schließen des Ausgangskontaktes auslösen. Wenn dieser Fehler dann beseitigt wird, wird der Fehler mit der nächsthöheren Priorität, der noch vorhanden ist, angezeigt und erneut das das Schließen des Ausgangskontaktes auslösen. Der Ausgangskontakt bleibt somit geschlossen (Fehlerbedingungs-Alarm), solange ein oder mehrere der Diagnose-Fehler ausgelöst wurden.
Wie oben beschrieben und in 14 gezeigt, wird in der Toolbox-Anzeige vorzugsweise auch der Momentanwert von Strom und Spannung für jede Phase und ihre Phasenbeziehung zur Spannung auf Phase A angezeigt. Mit dieser Information kann der Anwender ein Zeigerdiagramm konstruieren, das eine Hilfe zur Bestimmung der korrekten Installation und des Betriebs des Zählers ist. Die Anzeige zeigt auch die Anzahl von Diagnose-Fehlern, die für jede Diagnose aufsummiert wurden seit die Vorrichtung das letzte Mal gelöscht wurde.
Ein Beispiel für den gewünschten Zusammenhang zwischen einem Zeigerdiagramm für eine Dreiphasen-Zähler-Installation und einer Toolbox-Anzeige ist in den 14, bzw. 15 gezeigt. Mit der in der Toolbox-Anzeige angegebenen Phasenstrom-, Spannungs- und Winkel-Information sollte der Anwender in der Lage sein, ein Zeigerdiagram zu konstruieren, wie in 15 gezeigt. Dies erlaubt es dem Anwender, einen Schnappschuss des Zustandes des Energieversorgungssystems zu erhalten und Besonderheiten oder Fehler zu erkennen. Wie oben erwähnt, gibt die Toolbox-Anzeige auch den Status der vier Diagnose-Zähler an, die dem Anwender detailliertere Status-Information für das System geben.
Berechnung von Phasenwinkeln
In der bevorzugten Ausführung wird die Winkel-Information für Strom und Spannung der Phasen, die in den System-Diagnosen Nr. 1 und Nr. 4 benutzt und für die Anzeige in der Toolbox-Anzeige benötigt wird, aus den aufsummierten Strom- und Spannungswerten für jede Phase, sowie den aufsummierten Produkten Q und Y (wie im Folgenden definiert) bestimmt. Die Spannung auf Phase A wird vorzugsweise als Referenz (oder Basis-Zeiger) für die anderen Winkel benutzt. Der Spannungs-Winkel der Phase A erscheint somit als 0,0° in der Anzeige. Die fünf anderen Winkelwerte für (I_A, I_B, I_C, V_B, V_C) werden bezogen auf die Spannung auf Phase A angegeben, und werden immer bezogen auf eine nacheilende Referenz angegeben.
1. Der Phasenwinkel zwischen V_A und I_A
Wenn die Leistung und die Scheinleistung bekannt sind, kann der Leistungsfaktor berechnet werden. Es besteht folgender Zusammenhang:
Der Phasenwinkel (Θ) zwischen Spannung und Strom kann wie folgt berechnet werden: Θ = arccos(Leistungsfaktor)
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch bestimmen, ob der Strom der Spannung nacheilt oder voreilt, indem sie das Vorzeichen der Blindleistung untersucht. Wenn die Blindleistung positiv ist, eilt der Strom der Spannung nach, und wenn die Blindleistung negativ ist, eilt der Strom der Spannung vor.
In der bevorzugten Ausführung werden die Leistung, der Effektivwert der Spannung und der Effektivwert des Stroms für jede Phase am Zähler alle 60 Netzspannungs-Zyklen berechnet. Dies erfolgt, indem 481 Abtastwerte von Spannung und Strom über eine Zeitdauer von 60 Zyklen erfasst werden. Die erforderlichen Multiplikationen und Aufsummationen werden ausgeführt, und dann wird der Mittelwert dieser Werte gebildet, um die Leistung, den Effektivwert der Spannung und den Effektivwert des Stroms für die gegebenen 60 Netzspannungs-Zyklen zu liefern. Diese Werte werden dann am Ende jedes der 60 Netzspannungs-Zyklen dazu benutzt, den Leistungsfaktor für jede Phase zu berechnen.
Die Blindleistung kann im Wesentlichen auf dieselbe Weise berechnet werden wie die Leistung, außer dass eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen den Strom- und Spannungsmessungen eingeführt werden muss. Diese Phasenverschiebung kann erreicht werden, indem der aktuelle Abtastwert des Stroms genommen und mit einem verzögerten Spannungs-Abtastwert (im Speicher abgelegt) multipliziert wird, der einer Phasenverschiebung von 90 Grad entspricht.
2. Ableitung eines allgemeinen Verfahrens zur Berechnung von Phasenwinkeln
Wie unten gezeigt wird, kann das Verfahren zur Berechnung des Phasenwinkels von V_A zu I_A verallgemeinert werden, um den Phasenwinkel zwischen jedem Referenz-Zeiger (wie z.B. V_A) und jedem anderen Zeiger (wie z. B. V_B, I_B, V_C oder I_C) zu berechnen.
Mit Bezug auf 16 betrachten wir zwei sinusförmige Signale derselben Frequenz, unterschiedlicher Amplitude, die zueinander phasenverschoben sind wie folgt: a(t) = Acos(ωt) b(t) = Bcos(ωt – Θ).
Durch Darstellung des Argumentes des Kosinus als (ωt – Θ) wird implizit angenommen, dass Θ eine nacheilende Phasenverschiebung von der Referenz a(t) zu b(t) darstellt. Die entsprechende Position bezieht sich darauf, ob b(t) seinen Maximalwert zeitlich vor oder nach a(t) erreicht. Wenn b(t) ein Maximum nach a(t) erreicht, sagt man, dass es a(t) nacheilt. Wenn b(t) ein Maximum vor a(t) erreicht, sagt man, dass es a(t) voreilt.
Um den Phasenwinkel Θ zu bestimmen, wird der Mittelwert des Produktes der beiden Sinussignale berechnet. Dieser Mittelwert wird mit Q bezeichnet. Für den Mittelwert gilt folgende Gleichung:
wobei A und B die Amplituden der Sinussignale a(t), bzw. b(t) darstellen. Der Zusammenhang zwischen der Amplitude X_MAX und dem Effektivwert X_eff eines Sinussignals ist durch folgende Gleichung gegeben XMAX = √2Xeff.
Daher ist A = √2Aeff und B = √2Beff.
Setzt man diese Beziehungen in die Gleichung für Q ein, wird diese Gleichung zu: Q = AeffBeff cosΘoder
und schließlich
Wenn der Mittelwert des Produktes zweier Sinussignale und die Effektivwerte der beiden einzelnen Signale bekannt sind, kann daher der Winkel zwischen den beiden Signalen berechnet werden. Diese Information allein erlaubt es uns nicht, zu bestimmen, ob b(t) a(t) nacheilt oder voreilt. Wenn jedoch der Sinus des Winkels Θ bekannt ist, kann festgestellt werden, ob der Winkel ein voreilender oder nacheilender Winkel ist.
Um den Sinus des Winkels zu bestimmen, betrachten wir den Mittelwert des Produktes zweier Sinussignale, wobei a(t) um 90 Grad oder π/2 Radiant verschoben ist. Ein Ausdruck für die verschobene Version von a(t) ist folgender:
Der Mittelwert des Produktes von a(t) und b(t) wird als Wert Y bezeichnet. Es gilt folgende Gleichung:
Die Lösung des Integrals liefert folgenden Zusammenhang:
Wenn der Mittelwert des Produktes der beiden Sinussignale (Q) bekannt ist, der Mittelwert des Produktes des Sinussignals mit dem Referenzsignal, das um 90 Grad nacheilt (Y) bekannt ist, und der Effektivwert jedes der Signale bekannt ist, kann daher der Phasenwinkel berechnet werden und eine Feststellung getroffen werden, ob das nicht als Referenz genommene Signal dem Referenzsignal nacheilt oder voreilt. Die beiden Gleichungen, die zur Bestimmung der Größe der Phasenwinkel verwendet werden können, lauten wie folgt:
Ob der Winkel voreilt oder nacheilt, kann bestimmt werden, indem die Vorzeichen der Argumente des Arcuscosinus und des Arcussinus untersucht werden. Da ein positiver Winkel einem nacheilenden Winkel entspricht, gilt folgendes zur Bestimmung, ob der Winkel voreilt oder nacheilt:
Arcuscosinus-Argument (+), Arcussinus-Argument (+)
– Nacheilung zwischen 0 und 90 Grad;
Arcuscosinus-Argument (–), Arcussinus-Argument (+)
– Nacheilung zwischen 90 und 180 Grad;
Arcuscosinus-Argument (–), Arcussinus-Argument (–)
– Voreilung zwischen 90 und 180 Grad; und
Arcuscosinus-Argument (+), Arcussinus-Argument (–)
– Voreilung zwischen 0 und 90 Grad.
Wenn Q, Y und die Effektivwerte für a(t) und b(t) verfügbar sind, kann daher der Phasenwinkel zwischen diesen Sinussignalen bestimmt werden.
Das oben beschriebene Verfahren zum Finden des Phasenwinkels gilt somit für jedes beliebige Paar von Spannungen oder Strömen. Um zum Beispiel den Winkel zwischen V_B und V_A zu bestimmen, müssen zwei Werte berechnet werden, nämlich der Mittelwert des Produktes zweier Signale (Q_VAB) und der Mittelwert des Produktes der beiden Signale, wobei V_A um 90 Grad verschoben ist (Y_VAB).
Wie oben erwähnt, tastet der Zähler, der die bevorzugte Ausführung der Vorrichtung 20 enthält, V_A und V_B alle 60 Versorgungsspannungs-Zyklen 481 mal ab. Wenn das Produkt von V_A und V_B für jeden der 481 Abtastwerte berechnet und über ein Abtastintervall aufsummiert wird, kann am Ende des Abtastintervalls der Mittelwert des Produktes der beiden Signale, Q_VAB, berechnet werden. Für Q_VAB gilt folgende Gleichung:
wobei C ein Kalibrierungs-Skalierungsfaktor ist, der dazu verwendet wird, die Reduktion der Phasenspannungen auf einen messbaren Wert zu kompensieren.
Y_VAB erhält man auf ähnliche Weise aus:
wobei C für die Berechnung von Y_VAB dasselbe ist wie C für die Berechnung von Q_VAB und V_A(n-2) die Spannung V_A ist, die zwei Abtastwerte von dem Abtastwert V_A(n) liegt.
Die Abtastung ist so konstruiert, dass zwei aufeinander folgende Abtastwerte eines Signals 44,91 Grad auseinander liegen. Wenn der Spannungs-Abtastwert von den zwei vorher liegenden Abtastwerten genommen wird, führt dies daher zu einer Phasenverschiebung von 89,82 Grad, also zu ungefähr 90 Grad.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass anstatt verschobene Werte von V_A zu nehmen, die anderen Werte um 90° verschoben werden können, um den Phasenwinkel zu berechnen. Dies führt zu denselben Ergebnissen für den Y-Wert. Hierdurch wird jedoch die Vorzeichen-Information geändert, weil der Phasenwinkel um 180° verschoben wird. Bei dieser Implementation gelten die folgenden Vorzeichen-Beziehungen zwischen den Argumenten des Arcussinus und des Arcuscosinus:
Arccos (+), arcsin (–)
– Nacheilender Winkel zwischen 0 und 90 Grad;
Arccos (–), arcsin (–)
– Nacheilender Winkel zwischen 90 und 180 Grad;
Arccos (–), arcsin (+)
– Voreilender Winkel zwischen 90 und 180 Grad;
Arccos (+), arcsin (+)
– Voreilender Winkel zwischen 0 und 90 Grad.
Wenn die neuen Werte für die Phasenwinkel, die für die Toolbox-Anzeige benötigt werden, in jedem Abtastintervall berechnet werden müssten, müssten die zehn oben gezeigten Produkt- und Aufsummations-Terme in jedem Abtastintervall berechnet werden. Da zur Aufsummation aller zehn Terme in jedem Abtastintervall sehr viel Prozessor-Zeit und RAM benötigt werden, wird in jedem Abtastintervall vorzugsweise nur ein Paar von Termen berücksichtigt. Hierdurch wird der Einsatz von Prozessorzeit und RAM begrenzt, und es werden neue Phasenwinkel-Werte für die Toolbox-Anzeige alle fünf Abtastintervalle zur Verfügung gestellt.
In der bevorzugten Ausführung werden die Produkt-Terme in der folgenden Reihenfolge berechnet und aufsummiert:

1. Erstes Abtastintervall – V_A·I_A und V_A(–90°)·I_A für Phasenwinkel I_A;
2. Zweites Abtastintervall – V_A·I_B und V_A(–90°)·I_B für Phasenwinkel I_B;
3. Drittes Abtastintervall – V_A·I_C und V_A(–90°)·I_C für Phasenwinkel I_C;
4. Viertes Abtastintervall – V_A·V_B und V_A(–90°)·V_B für Phasenwinkel V_B; und
5. Fünftes Abtastintervall – V_A·V_C und V_A(–90°)·V_C für Phasenwinkel V_C.

Nach dem fünften Abtastintervall beginnt die Sequenz erneut, mit der die erforderlichen Q- und Y-Werte für Phasenwinkel I_A aufsummiert werden. Die Abtastwerte für V_A werden während jedes Abtastintervalls gespeichert. Dies erfordert somit, dass in jedem Intervall zwei zusätzliche Werte für V_A gespeichert werden, nämlich die beiden vorherigen Werte für V_A.
In der bevorzugten Ausführung sind diese Funktionen in 68HC11-Assembler-Code implementiert. Die Multiplikation und Aufsummation dieser Produktterme erfolgt in den Abtast-Interrupt-Routinen der Eingangsstufe. Die Spannungswerte sind 8-Bit-Werte, und die Stromwerte sind 12-Bit-Werte. Da V_A immer an jeder der Multiplikationen beteiligt ist, bedeutet dies, dass einige der Produkte 8 × 8 Bit und einige 8 × 12 Bit sind. Da es wünschenswert ist, denselben Algorithmus für alle Multiplikationen zu verwenden, werden die 8-Bit-Werte auf 12-Bit-Werte erweitert, so dass in der bevorzugten Ausführung ausschließlich ein 8 × 12-Bit-Multiplikations-Algorithmus benutzt wird.
Die 8-Bit-Spannungswerte für V_B und V_C werden vorzeichenrichtig auf 12-Bit-Werte erweitert, so dass alle Multiplikationen und Aufsummationen von Produkttermen zum Finden der Phasenwinkel von zwei Algorithmen bearbeitet werden, einer für die Aufsummation von Produkttermen für den Y-Wert und einer für die Aufsummation von Produkttermen des Q-Wertes. Die vorzeichenrichtige Erweiterung der Spannungswerte V_B und V_C wird in jeder Abtastperiode durchgeführt. Dies macht spezielle Überprüfungen unnötig, um die Abtastintervalle zu identifizieren, in denen diese Werte benötigt werden, da sie während jedes Abtastintervalls gültig sind.
Alle 12-Bit-Werte für Strom und Spannungen werden vorzugsweise in 16-Bit-Registern im Speicher abgelegt, da der Speicher in Byte-Stufen unterteilt ist.
Die Abtastroutine in der Eingangsstufe muss eine Möglichkeit aufweisen, festzustellen, welcher Produktterm in jedem Abtastintervall zu berechnen ist. Eine Zähler-Kennung wird vorzugsweise als Index verwendet, um auf den korrekten Wert für die Multiplikationen zuzugreifen, die für die Aufsummation der Q- und Y-Werte erforderlich sind.
Um die zwei Produktterme aufzusummieren, werden in der Speicherbelegung zwei Akkumulatoren vorgesehen. Die Größe jedes dieser Akkumulatoren ist gleich, da beide 8 × 12-Multiplikationen durchführen. Der größtmögliche aufsummierte Wert ist folgender:
Größter 8-Bit-Wert = 128
Größter 12-Bit-Wert = 2048
Größtes aufsummiertes Ergebnis = 481·128·2048 = 07 84 00 00 (hex)
Daher ist jeder Akkumulator vier Bytes lang, um das größtmögliche Ergebnis aufnehmen zu können. Es werden daher zwei Vier-Byte-Akkumulatoren vorgesehen, um jedes Paar von Produkttermen für jedes Abtastintervall aufzusummieren.
Am Ende jedes Abtastintervalls werden die Ergebnisse in den zwei Vier-Byte-Akkumulatoren in zwei Vier-Byte-Warteplätzen gespeichert, um auf die Verarbeitung durch die Hintergrund-Routinen zu warten, die erforderlich ist, um die Winkelberechnung während des nächsten Intervalls zu beenden.
Wenn die aufsummierten Paare am Ende eines Abtast-Intervalls zu den Warte-Registern übertragen wurden, finden im nächsten Abtast-Intervall im Hintergrund die restlichen Berechnungen statt, die zur Bestimmung des Pha senwinkels benötigt werden, während die Aufsummation für das nächste Paar im Vordergrund stattfindet. Diese Hintergrund-Routinen müssen ebenfalls eine Möglichkeit haben, festzustellen, mit welchem Paar aufsummierter Produktterme sie arbeiten. Für diese Hintergrund-Routinen wird eine separate Zähler-Kennung verwendet, die auf ähnliche Weise arbeitet, wie die Zähler-Kennung für den Abtast-Interrupt der Eingangsstufe. Es ist jedoch möglich, denselben Zähler zu verwenden, da diese Kennung immer einen Zählwert hinter der Zähler-Kennung für die Abtast-Interrupt-Routinen des Eingangs-Moduls ist.
Der in den 2, 3, 17A–B und 18A–B gezeigte Zähler 34 in dem die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise integriert ist, ist ein Halbleiter-Einfunktions-kW/kWh-Zähler, der digitale Abtastverfahren nutzt, um zusätzlich zu den Diagnose-Informationen, die von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, herkömmliche Informationen über den kW/kWh-Bedarf, die Benutzungszeit und andere herkömmliche Echtzeit-Abrechnungs-Informationen bereitzustellen. Der Zähler 34 wird vorzugsweise unter Verwendung von Software programmiert, die auf einem IBM-komptiblen Personal-Computer mit dem Betriebssystem MS-DOS läuft. Diese Software enthält die Logik, um den Anwender aufzufordern, Zähler-Konfigurations-Parameter bereitzustellen und enthält vorzugsweise die Installations-Eingabeaufforderungen, welche die vom Anwender definierten Parameter für die Diagnose liefern, die von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung unterstützt wird, so dass ein tragbarer Personal-Computer in einen Kommunikations-Anschluss am Zähler eingesteckt werden kann, um den Zähler bei der Installation zu programmieren.
Die 17A–B zeigen das Eingangs-Modul 44 des Zählers 34, in das die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eingebaut ist. Das Eingangs-Modul 44 enthält vorzugsweise einen Motorola MC68HC11KA4 Mikroprozessor 140, der im Single-Chip-Modus läuft, einen eingebauten 8-Bit-A/D-Wandler 142, der als Spannungs-Wandler 26 in der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung dient, 24 kBytes Festwertspeicher (ROM), 640 Bytes elektrisch löschbaren Festwertspeicher (EEPROM) und 768 Bytes Arbeitsspeicher (RAM), alle in 144 gezeigt. Der ROM- und der EEPROM-Speicher enthalten die Diagnose-Logik, und der RAM-Speicher dient als Speicher für die vorliegende Erfindung. Ein externer 12-Bit-A/D-Wandler, der in 146 gezeigt wird, dient als Strom-A/D-Wandler 28 für die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung.
Als Option kann im Eingangs-Modul 44 eine zusätzliche Fehlerbedingungs-Alarmfunktion implementiert werden. Diese Funktion nutzt eine Ausgangsleitung zu zum Beispiel einer externen Kommunikationsvorrichtung, die aktiviert werden kann, wenn eine Fehlerbedingung festgestellt wird. Die optionale Funktion kann von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung benutzt werden, um das Vorhandensein von Fehlerbedingungen für eine beliebige der von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung durchgeführten Diagnosen zu aktivieren und mitzuteilen.
In das Eingangs-Modul 44 kann eine Options-Karte 146 eingebaut werden, um verschiedene Signale nach außen bereitzustellen. Zum Beispiel kann der Fehlerbedingungs-Alarm einem mit geringem Strom betriebenen Halbleiter- oder Quecksilber-Relais zugeordnet werden, um anzuzeigen, dass ein oder mehrere Diagnosefehler festgestellt wurden. Weitere bekannte Zusatzfunktionen, wie eine automatische Ablesung des Zählers oder eine Echtzeit-Abrechnung, können auf der Options-Karte 146 oder auf einer ähnlich konfigurierten Options-Karte, die mit dem Eingangs-Modul 44 benutzt wird, implementiert werden.
Mit Bezug auf die 18A–B enthält das Register-Modul 48 des Zählers 34, in das die Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eingebaut ist, einen NECuPD75316GF Single-Chip-Mikroprozessor 148, der 16 kBytes ROM enthält, die in 150 gezeigt werden, 512 × 4 Bits RAM, die in 152 gezeigt werden, und einen 96-Segment-LCD-Display-Treiber 154, der zur Ansteuerung eines LCD-Displays 156 geeignet ist, zum Beispiel des in 3 gezeigten und in der bevorzugten Ausführung des Zählers 34 benutzten speziellen Typs von Display 33.
Serielle Daten können zwischen dem Eingangs-Modul 44 und dem Register-Modul 48 über eine synchrone serielle Vierdraht-Datenverbindung übertragen werden, die als 158 in den 17A–B, bzw. 160 in den Figuren 18A–B gezeigt wird. Das Eingangs-Modul überwacht und aktualisiert den Status aller von der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung durchgeführten Diagnosen und überträgt regelmäßig (vorzugsweise einmal pro Sekunde) über die oben beschriebene serielle Kommunikationsverbindung diese Zustände an das Register-Modul 48 zur Anzeige, sowie zur Speicherung von flüchtigen Daten bei einem Stromausfall. Zusätzlich dazu wird jeder Momentanwert, der zur Anzeige in der Toolbox-Anzeige der vorliegenden Erfindung benötigt wird, vom Eingangs-Modul nach Bedarf zum Register-Modul übertragen. Das Eingangs-Modul 44 überträgt auch verschiedene andere herkömmliche Zähler-Informationen zum Register-Modul 48, wie z.B. die in den letzten 60 Netzspannungs-Zyklen registrierte Energiemenge (in kWh), sowie deren Richtung (geliefert oder empfangen), den aktuellen Bedarf und Intervall-Ende-Informationen.
Informationen, die vom Register-Modul 48 zum Eingangs-Modul 44 übertragen werden, sind typischerweise regelmäßige Informationen über den Status der Register des Zählers.
Mit erneutem Bezug auf die 17A–B ermöglicht das Eingangs-Modul 44 die Messung der Spannung pro Phase, von Strom und Watt für ein Abtastintervall (60 Netzspannungs-Zyklen). Wie oben beschrieben, führt das Eingangs-Modul vorzugsweise 481 Abtastungen pro 60 Netzspannungs-Zyklen durch, was 481 Hz entspricht, wenn die Netzspannungs-Frequenz 60 Hz beträgt, und ungefähr 401 Hz, wenn die Netzspannungs-Frequenz 50 Hz beträgt. Die Abtastfrequenz wird alle 60 Zyklen auf der Basis der gemesse nen Netzfrequenz neu berechnet. Wie oben beschrieben, werden die Diagnose-Funktionen der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Bestimmung des Momentanstroms pro Phase, von Spannung, Watt und Phasenwinkel vorzugsweise vom Eingangs-Modul 44 durchgeführt, wenn die Vorrichtung in einen Zähler des in 3 gezeigten Typs eingebaut ist.
Mit erneutem Bezug auf die 3 und 18A–B führt das Register-Modul vorzugsweise die Funktion der Ansteuerung des LCD-Displays 33 im Zähler 34 aus. Wie oben beschrieben, kann die Toolbox-Anzeige der vorliegenden Erfindung implementiert werden, indem für eine vordefinierte Zeitdauer ein Display-Umschalter (nicht gezeigt) aktiviert wird. Wenn dieser aktiviert wird, ist der Toolbox-Anzeige-Modus eingeschaltet, und die Anzeige lässt die Toolbox-Anzeige-Liste durchrollen, wie oben beschrieben. Während der Toolbox-Anzeige blinkt das Symbol "TEST" vorzugsweise kontinuierlich, und die Watt-Scheiben-Nachbildung, die unten in der Anzeige 33 als fünf rechteckige Symbole gezeigt wird, rollt mit einer Rate von ungefähr einer Umdrehung alle 1,33 Sekunden durch. Die Richtung der Watt-Scheiben-Nachbildung ist gleich der Richtung des Energieflusses für die angezeigte Phase (von links nach rechts bei Energieverbrauch, von rechts nach links, wenn Energie geliefert wird). Der Zähler verlässt den Toobox-Anzeige-Modus, wenn das Ende der Anzeige erreicht ist und der Anzeigen-Umschalter nicht mehr aktiviert ist. Es muss darauf hingewiesen werden, dass wie oben beschrieben der Zähler weiterhin alle normalen Zählerfunktionen durchführt, während die Toolbox-Anzeige-Sequenz aktiv ist.
Wenn der Anzeigen-Umschalter nicht aktiviert ist, arbeitet die Zähler-Anzeige 33 im normalen Anzeigemodus des Zählers 34.
Die Kommunikation zum oder vom Zähler kann auch durch das Eingangs-Modul 44 über die Verbindung mit der optischen Schnittstelle 162 durchgeführt werden.
Somit liefert das eingebaute Diagnose-Paket des elektronischen Zählersystems der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit, einen kontinuierlichen Selbsttest der internen Komponenten des Zählers durchzuführen, sowie Service-Personal über jeden erkannten Fehler zu informieren, ohne den Betrieb des Zählers zu unterbrechen. Die Vorrichtung liefert auch die Fähigkeit, ständige System-Diagnose-Überprüfungen durchzuführen und die Ergebnisse dieser Diagnosen anzuzeigen, um Service-Personal während oder nach der Installation des Zählers mit zugehörigen Diagnose-Daten zu versorgen.
Die Vorrichtung bietet die Flexibilität, es dem Anwender zu erlauben, die Vorrichtung zu programmieren, um die Funktionen und Parameter auszuwählen und zu definieren, die für die spezielle Art des elektrischen Anschlusses geeignet sind, die von der Zähler-Installation unterstützt wird.
Schließlich erlaubt die Toolbox-Anzeige-Funktion der vorliegenden Erfindung eine regelmäßige Anzeige wertvoller Informationen bezüglich der internen Funktionen des Zählers, sowie der Beschaffenheit des vom Zähler unterstützten elektrischen Anschlusses, wieder ohne Unterbrechung des Normalbetriebs und des Zähler-Betriebs.
Während die beste Art zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben wurde, wird ein Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, verschiedene alternative Designs und Ausführungen für die praktische Umsetzung der Erfindung erkennen, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Vorrichtung, die in einen elektronischen Elektrizitätszähler (34) integriert ist und der Zähler (34) zur Installation in eine elektrische Anlage geeignet ist, wobei die Vorrichtung einen Mikroprozessor (22, 44, 140, 50, 148) und einen Speicher (24, 45, 51, 144, 152) enthält, der auf geeignete Weise mit dem Mikroprozessor (22, 44, 140, 50, 148) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin folgendes enthält: eine Computer-programmierte Logik (30), die implementiert ist, um automatisch regelmäßige vorausgewählte Überprüfungen des Zählers durchzuführen und dabei erkannte Fehler aufzuzeichnen; eine Computer-programmierte Logik (30), die implementiert ist, um automatisch eine regelmäßige Reihe von Diagnose-Tests bezüglich der elektrischen Anlage durchzuführen und alle Ergebnisse aufzuzeichnen, die vordefinierte Grenzwerte überschreiten; Anzeige-Einrichtungen (32; 33, 52) zur Anzeige von Fehlermeldungen, die einen oder mehrere Fehler kennzeichnen, die als Folge der innerhalb eines vordefinierten Zeitraumes durchgeführten Zähler-Überprüfungen entdeckt wurden; und Anzeige-Einrichtungen (32; 33, 52; 154, 156) zur Anzeige von Diagnose-Nachrichten, die alle Fehler kennzeichnen, die als Folge der in nerhalb eines vordefinierten Zeitraumes durchgeführten Diagnose-Tests bezüglich der elektrischen Anlage entdeckt wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Logik (30) enthält, um automatisch die Art des elektrischen Anschlusses zu bestimmen, in der der Zähler (34) installiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik (30) zur automatischen Bestimmung der Art des elektrischen Anschlusses, in der der Zähler (34) installiert ist, eine solche Bestimmung während der Initialisierung des Zählers (34) bei der Installation des Zählers (34) durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik (30) zur automatischen Bestimmung des elektrischen Anschlusses, in dem der Zähler (34) installiert ist, eine solche Bestimmung bei einer Neukonfiguration des Zählers (34) durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik (30) zur automatischen Bestimmung des elektrischen Anschlusses, in dem der Zähler (34) installiert ist, eine solche Bestimmung im Normalbetrieb des Zählers (34) automatisch regelmäßig durchführt.
Elektronischer Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche enthält, wobei die Vorrichtung in den Zähler integriert ist.