DE19639410A1 - Meßeinrichtung für elektrische Leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für elektrische Leistung und ein Verfahren zur Messung der elektrischen Lei­ stung.

Zur Bestimmung oder Messung von elektrischer Leistung eines elektrischen Verbrauchers ist es bekannt, die erfaßten Strom- und Spannungssignale am Verbraucher jeweils einem Analog-Di­ gital-Wandler (AD-Wandler) zuzuführen und in einer nachfol­ genden digitalen Verarbeitungseinrichtung miteinander zu mul­ tiplizieren. Dabei werden zeitgleiche Werte von Strom und Spannung miteinander verknüpft.

Zur Kompensation von Winkelfehlern, die beispielsweise von einem Shunt oder einem Stromwandler herrühren, kann dem AD-Wandler ein digitales Filter nachgeschaltet sein. Alternativ ist auch eine externe Kompensation mit einer RC-Beschaltung (analoges Filter) möglich. Eine derartige Meßeinrichtung be­ nötigt einen hohen Aufwand an Bauteilen, wodurch sie im we­ sentlichen nur für hochwertige Zähler mit großer Genauigkeit in Frage kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Meßeinrichtung und ein Verfahren anzugeben, bei der bzw. dem trotz geringem Bauteileaufwand eine möglichst hohe Meßgenau­ igkeit bei der Messung der elektrischen Leitung gegeben ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Meßeinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, daß ausgehend vom Stand der Technik ein Verarbeitungszweig mit einem AD-Wandler eliminiert werden kann, wobei als Ersatz dem verblei­ benden Verarbeitungszweig ein Multiplexer vorgeschaltet wird. Dies hat jedoch zum Nachteil, daß die jeweiligen im Sinne von Wertepaare zugeordneten Abtastwerte von Strom- und Spannung nicht mehr gleichzeitig sondern zeitlich nacheinander liegen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird der Nachteil des zeitli­ chen Versatzes zur Kompensation von Winkelfehlern verwendet, wobei auf verblüffend einfache Weise eine Fehlerkompensation erzielt wird. Dabei ist eine Kompensation externer Winkelfeh­ ler gegeben, ohne daß zusätzliche Maßnahmen oder weitere Bau­ teile benötigt werden. Zusätzlich ist eine Einstellbarkeit der Winkelfehlerkompensation gegeben.

Das Dezimationsfilter kann Teil der Verarbeitungseinrichtung oder des AD-Wandlers sein. Dies erlaubt eine Bildung Multi-Bit-Datenwörtern, wodurch eine einfache digitale Meßwertbear­ beitung mittels eines Rechners möglich ist. Dabei ist die Fehlerrate besonders gering.

Es ist günstig, wenn die Verarbeitungseinrichtung einen Mit­ telwertbildner umfaßt, dem die digitalen Werte eines der Ein­ gangssignale zugeführt sind. Die gebildeten Ausgangsmittel­ werte dienen dann mit den digitalen Werten des jeweils ande­ ren Signals zur Bildung der Leistungswerte. Damit wird ein Winkelfehler, der sich aus dem Zeitversatz der Strom- und Spannungswerte ergibt, kompensiert.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß immer jeweils aufeinanderfolgende Strom- und Spannungswerte miteinander multipliziert werden, wodurch eine Verdoppelung von Lei­ stungswerten gegeben ist, die im Summe eine Mittelwertwirkung erzielen. Alternativ kann auch direkt der Mittelwert von bei­ spielsweise zwei einem Stromwert benachbarten Spannungswerten gebildet werden, der dann mit dem Stromwert multipliziert wird.

Es ist günstig, wenn der AD-Wandler einen Sigma-Delta-Modula­ tor umfaßt. Auf diese Weise ist eine günstige Bildung eines Digitalsignals möglich. Damit ist eine gute Linearität und große Stabilität in der Meßwertverarbeitung gegeben.

Bevorzugt werden die Leistungswerte in der Verarbeitungsein­ richtung zur Bildung zumindest eines Energiewertes akkumu­ liert. Dieser kann dann beispielsweise für eine Verrechnung gespeichert oder auch mit weiteren folgenden Energiewerten aufsummiert werden.

Die Meßeinrichtung dient- bevorzugt als Zähler für elektrische Energie, wobei selbstverständlich auch eine Integration in einer leittechnische Einrichtung zur Energiemessung denkbar ist. Eine bevorzugte Ausführung der Meßeinrichtung ist in ei­ ner Kombination der Ansprüche 1 bis 6 gegeben. Diese verei­ nigt die Vorteile zur Kompensation externer und interner Win­ kelfehler.

Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird erfindungsgemäß ge­ löst mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Auf diese Weise ist eine einfache Kompensation eines externen Winkelfehlers ohne zusätzlichen Aufwand gegeben. Im übrigen gelten für das Ver­ fahren die oben genannten Vorteile der Meßvorrichtung sinnge­ mäß.

Mit Vorteil ist das serielle Signal ein Ausgangssignal eines Multiplexers. Dadurch ist die Verwendung eines besonders ein­ fachen Bauteils möglich.

Es ist günstig, wenn das Ausgangssignal einer Analog-Digi­ tal-Wandlung unterzogen und dabei ein Digitalsignal erzeugt wird.

Auf diese Weise ist eine einfache nachfolgende digitale Si­ gnalverarbeitung möglich. Bevorzugt ist das Digitalsignal als 1-Bit-Strom ausgebildet. Hierdurch ist eine schnelle und feh­ lerarme Signalverarbeitung gegeben. 1-Bit-AD-Wandler weisen eine einfache Analogschaltung auf, wobei eine Bildung von hochaufgelösten Digitalworten im Digitalteil erfolgt.

Anschließend kann der 1-Bit-Strom in Multi-Bitworte umgewan­ delt werden, so daß eine herkömmliche digitale Signalverar­ beitung gegeben ist, bei der herkömmliche Bauteile, insbeson­ dere digitale Signalprozessoren, zum Einsatz kommen.

Bei der Umwandlung des 1-Bit-Stroms in Multi-Bitworte sind Wartetakte zwischen den Strom- und Spannungswerten vorgese­ hen, die eine vorgebbare Länge aufweisen. Auf diese Weise ist eine einstellbare Kompensation gegeben, wobei von gegebenen­ falls ohnehin vorhandenen Wartezeiten oder -takten bei Dezi­ mationsfiltern Gebrauch gemacht werden kann.

Bevorzugt werden die erzeugten Leistungswerte zur Bildung ei­ nes Energiewertes akkumuliert. Dadurch ist eine Energiever­ brauchsmessung gegeben.

Die Erfindung, weitere Vorteile und Details werden nachfol­ gend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Leistungsmeßeinrichtung,

Fig. 2 ein Signaldiagramm in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 3 eine weitere Leistungsmeßeinrichtung und

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Dezimationsfilters gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt eine Meßeinrichtung 1a zur Messung der elektri­ schen Leistung (einphasig) in einer Prinzipdarstellung. Der Meßeinrichtung 1a sind von einem elektrischen Verbraucher 2 abgegriffene analoge Meßwerte oder Signale für einen Strom I und eine Spannung U als Eingangssignale zugeführt. Die beiden Eingangssignale I, U werden zunächst einem Multiplexer 3 zu­ geführt. Dieser erzeugt an seinem Ausgang ein serielles Si­ gnal S, in welchem die Werte der Strom- und des Spannungs­ signale U, I abwechselnd aufeinander folgen. Die dabei je­ weils aufeinanderfolgenden Signalwertpaare sind dabei im Hin­ blick auf ihren jeweiligen Erfassungszeitpunkt zeitlich zu­ einander versetzt. Das serielle Signal S wird später noch nä­ her erläutert.

Das serielle Signal S wird nachfolgend mit Hilfe eines Ana­ log-Digital-Wandlers 5 in ein digitales Signal DS umgewan­ delt. In der nachgeschalteten digitalen Verarbeitungseinrich­ tung 7 werden die jeweiligen digitalen Strom- und Spannungs­ werte U, I zu Leistungswerten p multipliziert, die dann am Ausgang für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Gegebenenfalls kann auch innerhalb der Verarbeitungs­ einrichtung 7 eine weitere Verarbeitung der Strom- und Span­ nungswerte I und U, z. B. eine Akkumulierung, vorgesehen sein, so daß Energiewerte E gebildet werden.

Die Verarbeitungseinrichtung 7 ist bevorzugt als Rechner, z. B. mit einem Mikrocomputer, und/oder als digitaler Signal­ prozessor ausgebildet. Die am Ausgang anstehenden Leistungs- oder Energiewerte P bzw. E können beispielsweise für eine Weitergabe an eine Registriereinrichtung oder eine sonstige leittechnische Einrichtung - auch für eine Fernablesemöglich­ keit oder eine Anzeigevorrichtung - weitergegeben werden. Speziell kann die Leistungsmeßeinrichtung 1a auch Teil eines Elektrizitätszählers sein.

Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt nähere Details zur Signal­ verarbeitung. Gezeigt ist dabei ein Ausschnitt des der Verar­ beitungseinrichtung 7 zugeführten digitalen Signals, wobei aufeinanderfolgend Strom- und Spannungswerte I bzw. U gezeigt sind. Jeweils benachbarte Strom- und Spannungswerte I bzw. U sind, wie bereits oben erwähnt, zeitlich zueinander versetzt. Mit I1 bis I3 bzw. U1 bis U3 sind zeitlich nacheinanderfol­ gende Werte gemeint. Bei der direkten Multiplizierung dieser Werte miteinander im Sinne von Strom-Spannungspaaren (z. B. I1 × U1, I2 × U2 usw.) würde sich ein Winkelfehler ergeben.

Eine erste Möglichkeit einer Fehlerkompensation derartiger interner Winkelfehler ist dadurch erzielt, daß immer jeweils aufeinanderfolgende Strom- und Spannungswerte (beispielsweise die Werte U1 und I1, I1 und U2, U2 und I1 usw.) miteinander multipliziert werden. Es wird also quasi eine doppelte Anzahl von Leistungswerte erzeugt, die zwar jeweils eine Ungenauig­ keit oder einen Winkelfehler beinhalten, jedoch in Summe ei­ ner Mittelwertbildung erzielen, wodurch ein Kompensation in­ terner Winkelfehler gegeben ist.

Eine zweite Möglichkeit der Fehlerkompensation ist durch eine direkte Mittelwertbildung gegeben. Es wird dazu beispiels­ weise von U1 und U2 der Mittelwert gebildet ([U1+U2]/2), der dann zur Leistungsberechnung mit dem Stromwert I1 multipli­ ziert wird. Ggf. sind auch noch weitere Möglichkeiten einer einfachen Mittelwertbildung denkbar. Die Mittelwertbildung erfolgt in der digitalen Verarbeitungseinrichtung 7, die hierzu einen geeigneten Mittelwertbildner, beispielsweise ei­ nen Programmbaustein, umfaßt.

Fig. 3 zeigte eine weitere Leistungsmeßeinrichtung 1b in einer detaillierten Darstellung. Hier umfaßt der Analog-Digi­ tal-Wandler 5a einen Sigma-Delta-Modulator ΣΔ, der an seinem Aus­ gang als digitales Signal DS einen 1-Bit-Strom erzeugt.

Die nachfolgende digitale Verarbeitungseinrichtung 7a umfaßt ein Dezimationsfilter 11 und eine Multipliziereinrichtung 13. Das Dezimationsfilter 11 dient zur Umwandlung des 1-Bit-Stro­ mes in Multi-Bitworte. Multi-Bitworte lassen sich besonders einfach von digitalen Signalprozessoren oder Mikrocomputern verarbeiten. Dies gilt insbesondere für die Realisierung der nachgeschalteten Multipliziereinrichtung 13. Diese arbeitet nach der bereits oben beschriebenen Verfahrensweise.

Dem Dezimationsfilter 11 ist eine Steuerlogik 15 zugeordnet, mit der eine Einstellbarkeit der Umwandlung in Multi-Bitworte gegeben ist.

Zwischen den in Fig. 2 dargestellten Strom- und Spannungswer­ ten I bzw. U sind jeweils Zeitabschnitte oder Wartezeiten oder -takte ti und tu eingefügt. Die Einfügung wird dabei von der Steuerlogik 15 bewirkt. Die Wartezeiten sind prinzipiell zur Vermeidung von Überkopplungen zwischen den Werten von Strom und Spannung vorgesehen. In der Praxis ist diese Warte­ zeit dadurch realisiert, daß nach der Bildung eines Digital­ wertes im Dezimationsfilter 11 der dortige nicht näher ge­ zeigte interne Multiplexer umgeschaltet und das Dezimations­ filter 11 für die Wartezeit zurückgesetzt wird. Es werden also sogenannte "wait states" erzeugt. Siehe hierzu auch Aus­ führungen zur Fig. 4.

Diese Wartezeiten werden vorliegend vorteilhaft genutzt. Die Wartezeiten sind nämlich einstellbar ausgeführt. Diese Ein­ stellbarkeit ist parametrierbar, z. B. zwischen 1 und 128 Tak­ ten. Die Wartezeit ti zwischen Strom I1 und nachfolgender Spannung U1 ist mit beispielsweise nur wenigen Takte, z. B. 6 Takten, fest eingestellt. Durch die geeignete Wahl der Takte der Wartezeiten tu zwischen Spannung U2 und nachfolgenden Strom I1 kann also der Winkelfehler kompensiert werden.

Dies gilt insbesondere für Wandlerfehler, wie z. B. bei der Meßwerteerfassung, die auf diese Weise hervorragend ausgegli­ chen werden können.

Bei der vorliegenden Meßeinrichtung sind nur wenige Bauteile erforderlich, die insbesondere bei Ausbildung als ASIC eine nur geringe Chipfläche und einen niedrigen Stromverbrauch er­ fordern. Auch sind Modulationsüberkopplungen über die Versor­ gungsspannung oder über das Substrat auf diese Weise gering gehalten.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführung des Dezimationsfilters 11 im Detail. Es umfaßt im wesentlichen einen Multiplexer 17, dem an seinen Ausgängen ein geeignetes Hochpaßfilter 19a und 19b für den jeweiligen Meßwert zugeordnet ist.

Selbstverständlich sind die aufgezeigten Meßeinrichtungen auch für die Verarbeitung weiterer Signale, z. B. zusätzliche Temperatursignale, oder für eine mehrphasige Signalverarbei­ tung, z. B. für Drehstrom, geeignet, wobei auch hier eine zu­ sätzliche Kompensation durch eine entsprechende Wartezeitpa­ rametrierung vorgesehen sein kann. Grundsätzlich ist auch eine alternative Kompensation durch eine veränderliche Fen­ sterbreite im Dezimationsfilter 11 denkbar, wodurch prinzi­ piell ebenfalls eine Veränderung der Winkel gegeben ist. Hierbei sind ggf. weitere schaltungstechnische oder verfah­ renstechnische Maßnahmen erforderlich.

Die aufgezeigten Meßeinrichtungen eignen sich insbesondere für eine Anwendung bei Elektrizitätszählern zur Messung der elektrischen Energie, z. B. bei ein- oder mehrphasigen Haus­ haltszählern. Selbstverständlich sind einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungen im Rahmen des fachmännischen Kön­ nens vorteilhaft miteinander kombinierbar, ohne daß der Grundgedanke der Idee verlassen wird. Wesentlich hierfür ist, daß mittels einer Mittelwertbildung eine Interpolation er­ zielt ist, die zur Kompensation interner Winkelfehler dient. Weiterhin ist eine einstellbare Winkelfehlerkompensation durch die variable Wartezeit zwischen den Strom- und Span­ nungswerten gegeben, durch die externe Winkelfehler berück­ sichtigt sind.

Claims (13)

1. Meßeinrichtung (1a, 1b) für elektrische Energie mit:

• - einem Multiplexer (3), dem als Eingangssignale ein Strom- und ein Spannungssignal (I bzw. U) zuführbar sind,
• - einem dem Multiplexer (3) nachgeschalteten Analog-Digi­ tal-Wandler (5, 5a) und
• - einer dem Analog-Digital-Wandler (5, 5a) nachgeschalteten digitalen Verarbeitungseinrichtung (7), welcher eingangs­ seitig ein Dezimationsfilter (11) zugeordnet ist, dem digi­ talisierten Werte der Eingangssignale (I1 bis U3) als seri­ elles Signal (S) zugeführt sind,

wobei dem Dezimationsfilter (11) eine Steuerlogik (15) zuge­ ordnet ist, welche jeweils zwischen den digitalisierten Wer­ ten von Strom- und Spannung (I1 bis U3) vorgebbare unter­ schiedliche Wartetakte (ti bzw. tu) erzeugt derart, daß ein vorgebbarer Phasenwinkel zwischen den digitalisierten Werten (I1 bis U3) erzeugt ist, und
wobei in der digitalen Verarbeitungseinrichtung (7), abwech­ selnd aufeinanderfolgende digitale Strom- und Spannungswerte (I1 bis U3) zur Bildung von Leistungswerten (P) jeweils mit­ einander multipliziert werden.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die digitale Verar­ beitungseinrichtung (7) einen Mittelwertbildner umfaßt, dem die digitalisierten Werte (I1 bis I3 oder U1 bis U3) eines der Eingangssignale (I bzw. U) zugeführt sind, und dessen Ausgangsmittelwerte zum Bilden der Leistungswerte (P) mit den digitalen Werten des jeweils anderen Eingangssignals dienen.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ausgangsmittel­ werte von den Spannungswerten (U1 bis U3) gebildet werden.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Analog-Digital-Wandler (5a) einen Sigma-Delta-Modulator (ΣΔ) umfaßt.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leistungswerte (P) in der digitalen Verarbeitungseinrichtung (7) zur Bildung zumindest eines Energiewertes (E) akkumuliert werden.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche als Elektrizitätszähler dient.

7. Verfahren zur Messung von elektrischer Leistung (P) an ei­ nem Verbraucher (2), wobei

• - fortlaufend Strom- und Spannungswerte (I bzw. U) von einem Strom- beziehungsweise Spannungssignal erfaßt werden,
• - ein serielles Signal (S) erzeugt wird, in welchem die Strom- und Spannungswerte (I1 bis U3) abwechselnd aufeinan­ der folgen,
• - zwischen den Strom- und Spannungswerten (I1 bis U3) jeweils unterschiedliche Wartetakte (ti bzw. tu) vorgebbarer Länge zur Bildung einer Winkelverschiebung erzeugt werden, und
• - jeweils direkt aufeinanderfolgende Strom- und Spannungs­ werte (I1 bis U3) anschließend zur Bildung von Leistungs­ werten (P) jeweils miteinander multipliziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das serielle Signal (S) durch Multiplexen erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das serielle Si­ gnal (S) vor der Erzeugung der Wartetakte (ti bzw. tu) einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei mit der Analog-Digi­ tal-Wandlung ein 1-Bit-Strom (DS) erzeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der 1-Bit-Strom (DS) vor der Multiplikation in Multi-Bitworte umgewandelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Leistungswerte (P) zur Bildung eines Energiewertes (E) akku­ muliert werden.