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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet
von elektronischen Energiezählern.
Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf elektronische
Energiezähler
mit Systemen zum Kompensieren von Frequenzänderungen in der elektrischen
Energieversorgung, die zu dem Energiezähler geliefert wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
Transfer von Rohenergie durch Wechselspannungen und Ströme wird
von Natur aus bei einer Nennfrequenz, typischerweise bei 50 oder
60 Hz, durchgeführt.
Historisch waren kleine Änderungen
in der Nennleitungsfrequenz von geringer Wichtigkeit bei der elektromechanischen
Messung von Wattstunden. Elektromechanische Zähler waren auf grundlegenden
Maße,
wie beispielsweise Wirkverbrauch (kWh) oder Blindverbrauch (VARh)
unter Verwendung von Phasenverschiebungstransformatoren begrenzt,
und die Genauigkeit der Ergebnisse war im allgemeinen nicht von
der Frequenz abhängig.
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Die
jüngste
Deregulierung der Versorgungswirtschaft hat einen Markt für Produkte
erzeugt, die die effiziente Verteilung und Überwachung von elektrischer
Leistung erleichtern. In der Vergangenheit haben Versorgungsunternehmen
eine Infrastruktur aufgebaut, die keine angemessene Information
bereitstellt, um die elektrische Energie in dem Verteilungssystem
zu überwachen
und einzustellen.
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Ein
Grund, die Leitungsfrequenz zu überwachen,
ist das zunehmende Interesse über
und die Sorge um die genaue Messung von Oberschwingungen auf dem
Leistungssystem des Versorgungsunternehmens. Historische Zählerpraktiken
befassten sich lediglich geringfügig
mit Oberschwingungen, wobei jedoch das heutige Interesse aufgrund
einer Zunahme in Kundenlasten viel höher ist, die Oberschwingungsverzerrungen
auf einem System eines Versorgungsunternehmens erzeugen. Diese Oberschwingungen
können
bewirken, dass VA-Lasten auf Transformatoren höher als erwartet sind, sowie
auch bewirken, dass eine Rechnung eines Kunden tatsächlich nach
unten geht, wenn Oberschwingungsleistung tatsächlich von dem System des Versorgungsunternehmens
gezogen wird. Frequenzkompensation ist erwünscht, um genaue Messungen
von Beträgen
der Oberschwingungen auf Spannungs- oder Stromsignalen zu erhalten.
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In
den vergangenen Jahren haben sich elektronische Energiezähler mehr
in die digitale Welt mit Analog/Digital-Wandlern (ADCs) und digitaler
Verarbeitung bewegt. In letzter Zeit haben digitale Elektrizitätszähler begonnen,
zusätzliche
Instrumentierungsmerkmale aufzunehmen, die es dem Verbraucher erlauben,
nahezu Istwerte von Messwerten, wie beispielsweise Phasenwinkel
von einer Spannung zu einer anderen Spannung, Phasenwinkel von einem
Strom zu einer Spannung, Leistungsfaktoren je Phase, Spannungen
je Phase, Ströme
je Phase, Spannungsoberschwingungen je Phase, Stromoberschwingungen
je Phase, Watt je Phase und System, Volt-Ampere (VA) je Phase und
System, Blindleistung (VAR) je Phase und System und Gesamtoberschwingungsverzerrungen
für Spannungen
und Ströme
je Phase zu lesen. Ein Problem, das berücksichtigt werden muss, ist
das Problem der Frequenzabhängigkeit
insbesondere von Werten, wie beispielsweise Spannungs- und Stromoberschwingungen
je Phase.
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Digitale
Zähler
neigen dazu, wiederholt Abtastungen zu festen Zeitintervallen zu
verarbeiten, und obwohl einige Größen in einem Satz von Abtastungen
auf einmal berechnet werden können,
werden andere Größen wünschenswerterweise über eine
oder mehrere Leitungszyklusperioden gemittelt. Da eine feste Abtastrate
eine feste Anzahl von Abtastungen je Leitungszyklusperiode impliziert,
werden die Ergebnisse im Allgemeinen bezogen auf Änderungen
in der Leitungsfrequenz kompensiert, um fehlbare Ergebnisse zu vermeiden.
Ein typisches Mittel, um Effektivspannungen, Effektivströme und Volt-Ampere (VA) Scheinenergie
einzustellen, besteht darin, Nulldurchgänge eines Signals zu erfassen
und die Ergebnisse über
die Anzahl von Abtastungen zu mitteln, die über die flexible Periode übernommen
wurden. Andere kompliziertere Berechnungen, wie beispielsweise Oberschwingungen,
können
jedoch nicht vollständig
kompensiert werden, nachdem die Messungen und zwischenzeitlichen
Berechnungen ausgeführt
sind.
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Die
US-A5 307 009 offenbart
ein Verfahren zum Messen von frequenzabhängigen elektrischen Parametern
durch einen Energiezähler
in einem elektrischen System, das elektrische Energie mit einer
veränderlichen
Frequenz bereitstellt. Das bekannte Verfahren umfasst die Schritte
eines Messens einer Frequenz der elektrischen Energie, eines Messens
einer Eingangssignalwellenform und eines Bestimmens eines Betrags
einer idealen Frequenz innerhalb der eingegebenen Signalwellenform.
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Die
EP-A-0 268 447 beschreibt
ein Verfahren zum Durchführen
einer Frequenzganganalyse eines Systems. Das Dokument bezieht sich
auf eine Frequenzganganalyse, bei der das an ein System angelegte Eingangssignal
mit dem Ausgangssignal von dem System bei verschiedenen Frequenzen
verglichen wird. Dies ist ein bekanntes Verfahren zum Kennzeichnen
des Verhaltens von elektronischen Schaltungen, wobei das Ausgangssignal
häufig
analysiert wird, in dem es mit Referenzsignalen korreliert wird,
die in Gleichphase und Korrekturphase mit dem Eingangssignal in
das System sind. Das Dokument bezieht sich nicht auf einen Energiezähler in
einem elektrischen System, das elektrische Energie mit veränderlicher
Frequenz bereitstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein System, ein Verfahren und eine
Vorrichtung gemäß Anspruch
10, 1 bzw. 19 zum Verbessern der Fähigkeit eines elektronischen
Zählers
gerichtet, Messungen an Signalen durchzuführen, um den Inhalt von unterschiedlichen
Frequenzen und Oberschwingungen der Grundfrequenz, von Wechselspannungssignalen
und außerdem
der Energie (Watt, VAR und VA) aus dem Produkt der Spannung und
Ströme
der spezifischen Frequenzen zu bestimmen. Die Leitungsfrequenz wird
vor dem Durchführen frequenzabhängiger Parametermessungen
oder dem Bestimmen frequenzabhängiger
Parameter bestimmt und kompensiert.
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Bei
einer Ausführungsform
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren zum Kompensieren einer Frequenzänderung in elektrischer Energie,
die einem Energiezähler über eine Dienstart
bereitgestellt wird, mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
Auswählen einer
Referenzwellenform mit einem positiven Nulldurchgang; Synchronisieren
von zwei idealen Wellenformen mit der Referenzwellenform, wobei
die beiden idealen Wellenformen jeweils eine ideale Frequenz aufweisen;
Messen einer Eingangssignalwellenform; Bestimmen eines Betrags eines
Signals der idealen Frequenz innerhalb der Eingangssignalwellenform;
und Bestimmen eines Winkels des Signals der idealen Frequenz innerhalb
der Eingangssignalwellenform, wobei die beiden idealen Wellenformen
ungefähr
90 Grad miteinander phasenverschoben sind, wobei eine ideale Wellenform
eine gleichphasige Komponente und die andere ideale Wellenform eine
Quadraturkomponente darstellt.
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Die
resultierenden Größen können verwendet
werden, um typischerweise unerwünschte
Oberschwingungsverzemungen auf einzelnen Signalen zu quantisieren
sowie auch Winkel zwischen den Grundschwingungen von ansonsten verzerrten
Signalen zu bestimmen.
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Die
vorhergehenden und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Funktionskomponenten eines beispielhaften
Zählers
und ihre Schnittstellen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2A und 2B zeigen
ein beispielhaftes DFT-Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
UND BESTER MODUS
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein System und ein Verfahren zum Verbessern
der Fähigkeit
eines elektronischen Zählers
gerichtet, Messungen an Signalen durchzuführen, um den Inhalt von unterschiedlichen Frequenzen
und Oberschwingungen der Grundfrequenz von Wechselspannungssignalen
(Spannung und Strom) zu bestimmen. Die Leitungsfrequenz wird vor
dem Durchführen
frequenzabhängiger
Parametermessungen oder dem Bestimmen frequenzabhängiger Parameter
bestimmt und kompensiert.
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Die
meisten aktuellen digitalen/elektronischen Energiezähler tasten
Spannungsund Stromsignale auf ein bis drei unterschiedlichen Phasen
ab und verarbeiten sie, um typischerweise Größen für Abrechnungszwecke (wie beispielsweise
kWh, VARh oder VAh) zu erzeugen. Sie kommen ebenfalls in die Lage,
eine große Vielfalt
von Instrumentierungsgrößen zu bestimmen.
Als eine Verbesserung sind diese Zähler ebenfalls imstande, diese
Größen zu verarbeiten,
um sowohl die Gültigkeit
der Verdrahtung, die außerhalb
von dem elektronischen Zähler
selbst ist, und andere ungewöhnliche
Parameter, wie beispielsweise Oberschwingungen, zu bestimmen.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. werden nun Systeme und Verfahren
zur Erfassung und Kompensation der Leitungsfrequenzänderung
mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es ist für einen Fachmann ersichtlich,
dass die hier mit Bezug auf diese Figuren gegebene Beschreibung
lediglich für
beispielhafte Zwecke gegeben wird und nicht in irgendeiner Weise
bestimmt ist, den Schutzumfang der Erfindung zu begrenzen. Beispielsweise
wird während
der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und
des Systems für
die Erfassung ein beispielhafter Zähler verwendet, um die Erfindung
zu veranschaulichen. Derartige Beispiele dienen jedoch lediglich
dem Zweck, die Verfahren und die Systeme der vorliegenden Erfindung
klar zu beschreiben und sind nicht bestimmt, die Erfindung zu begrenzen.
Außerdem
werden Beispielanwendungen in der ganzen Beschreibung verwendet,
wobei die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem bestimmten
elektronischen Energiezähler
benutzt wird. Dieser Zähler
ist nicht bestimmt, die Erfindung zu beschränken, da die Erfindung gleichermaßen auf
andere Zählsysteme
anwendbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Erfassungs- und Kompensationsmerkmalle
für die
Leitungsfrequenzänderung
in Verbindung mit dem Messen von einphasiger oder mehrphasiger elektrischer
Energie bereit.
1 ist ein Blockdiagramm, das
die Funktionskomponenten eines beispielhaften Zählers und ihre Schnittstellen
zeigt, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Der Zähler wird
in der gleichzeitig anhängigen PCT-Anmeldung
mit dem Titel "ENERGY
METER WITH POWER QUALITY MONITORING AND DIAGNOSTIC SYSTEMS", Nr.
PCT/US97/18547 beschrieben, die einen
internationalen Anmeldetag von Oktober 16, 1997 (Anwaltsaktenzeichen
ABME-0237) aufweist.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst ein Zähler zum Zählen dreiphasiger elektrischer
Energie vorzugsweise eine digitale Anzeige vom LCD-Typ 30,
eine integrierte Schaltung für
den Zähler
(IC) 14, die vorzugsweise A/D-Wandler und einen programmierbaren
DSP umfasst, und einen Mikrocontroller 16.
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Analoge
Spannungs- und Stromsignale, die sich über Leistungsverteilungsleitungen
zwischen dem Leistungsgenerator des elektrischen Diensteanbieters
und den Verbrauchern der elektrischen Energie ausbreiten, werden
durch Spannungsteiler
12A,
12B,
12C und
Stromtransformatoren oder Shunts (CT/SHUNT)
18A,
18B bzw.
18C abgefühlt. Die
Ausgaben der Widerstandsteiler
12A–
12C und Stromtransformatoren
18A–
18C oder
abgefühlte
Spannungs- und Stromsignale werden als Eingaben in den Zähler IC
14 bereitgestellt.
Der A/D-Wandler in dem Zähler
IC
14 wandelt die abgefühlten
Spannungs- und Stromsignale in digitale Darstellungen der analogen
Spannungs- und Stromsignale um. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die A/D-Wandlung ausgeführt,
wie in dem
U.S.-Patent No. 5
544 089 , datiert August 6, 1996, mit dem Titel "PROGRAMMAHLE ELECTRICAL
METER USING MULTIPLEXED ANALOG-TO-DIGITAL-CONVERTERS" beschrieben ist,
das an ABB Power T & D
Company übertragen
ist. Die digitalen Spannungs- und Stromdarstellungen werden dann
in den Mikrocontroller
16 durch einen IIC-Bus
36 eingegeben.
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Der
Mikrocontroller 16 ist vorzugsweise schnittstellenmäßig mit
dem Zähler
IC 14 und mit einer oder mehreren Speichereinrichtungen
durch einen IIC-Bus 36 verbunden. Ein Speicher, der vorzugsweise
ein nichtflüchtiger
Speicher, wie beispielsweise ein EEPROM 35, ist, wird bereitgestellt,
um Nennphasenspannung- und Stromdaten und Schwellendaten sowie auch
Programme und Programmdaten zu speichern. Beim Hochfahren können beispielsweise
nach der Installation, einem Leistungsausfall oder einer Datenändernden
Kommunikation im EEPROM 35 gespeicherte ausgewählte Daten
in den Programm-RAM und Daten-RAM, die in dem Zähler-IC 14 zugeordnet
sind, heruntergeladen werden, wie in 1 gezeigt
ist. Der DSP unter der Steuerung des Mikrocontrollers 16 verarbeitet
die digitalen Spannungs- und Stromsignale in Übereinstimmung mit den heruntergeladenen
Programmen und Daten, die in dem jeweiligen Programm-RAM und Daten-RAM gespeichert sind.
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Um
Messungen und die Kompensation der Leitungsfrequenz durchzuführen, überwacht
der Zähler
IC 14 die Leitungsfrequenz beispielsweise über zwei
Leitungszyklen. Es sollte ersichtlich sein, dass die Anzahl von
Leitungszyklen vorzugsweise programmierbar ist und eine unterschiedliche
Anzahl von Leitungszyklen für gekennzeichnete
Messungen verwendet werden kann.
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Nach
dem Hochfahren bei der Installation kann ein Diensttest durchgeführt werden,
um den elektrischen Dienst zu identifizieren und/oder zu prüfen. Der
Zähler
kann zur Verwendung mit einem gekennzeichneten Dienst vorprogrammiert
sein oder er kann den Dienst mit einem Diensttest bestimmen. Wenn
der Diensttest verwendet wird, um den elektrischen Dienst zu identifizieren,
wird eine Anfangsbestimmung der Anzahl von aktiven Elementen durchgeführt. Zu
diesem Zweck wird jedes Element (d. h. 1, 2 oder 3 Elemente) auf Spannung
geprüft.
Sobald die Anzahl von Elementen identifiziert ist, können viele
der Dienstarten von der Liste von möglichen Dienstarten eliminiert
werden. Der Spannungsphasenwinkel bezogen auf Phase A kann dann berechnet
und mit jedem Phasenwinkel für
Rotationen abc oder cba mit Bezug die verbleibenden möglichen Dienste
verglichen werden. Falls ein gültiger
Dienst von den Phasenwinkelvergleichen gefunden wird, wird die Dienstspannung
vorzugsweise durch Vergleichen der Effektivspannungsmessungen für jede Phase
mit Nennphasenspannungen für
den identifizierten Dienst bestimmt. Falls die Nenndienstspannungen
für den
identifizierten Dienst mit dem gemessenen Werten innerhalb eines
annehmbaren Toleranzbereiches übereinstimmen,
wird ein gültiger
Dienst identifiziert, und die Phasenrotation, die Dienstspannung
und die Dienstart werden vorzugsweise angezeigt. Der Dienst kann
verriegelt sein, d. h. die Dienstinformation ist in einem Speicher, vorzugsweise
einem nichtflüchtigen
Speicher, wie beispielsweise dem EEPROM 35, manuell oder
automatisch gespeichert. Dienstarten umfassen 4-Draht-Stern, 3-Draht-Stern, 4-Draht-Delta,
3-Draht-Delta oder einphasig.
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Wenn
die Dienstart im Voraus bekannt und verriegelt ist, prüft der Diensttest
vorzugsweise, um sicherzustellen, dass jedes Element Phasenpotential
empfangt und dass die Phasenwinkel innerhalb eines vorbestimmten
Prozentsatzes der nominalen Phasenwinkel für den bekannten Dienst sind.
Die Spannungen je Phase werden ebenfalls gemessen und mit den Nenndienstspannungen
verglichen, um zu bestimmen, ob sie innerhalb eines vordefinierten
Toleranzbereiches der Nennphasenspannungen liegen. Falls die Spannungen und
die Phasenwinkel innerhalb der spezifizierten Bereiche liegen, werden
die Phasenrotation, die Dienstspannung und die Dienstart auf der
Zähleranzeige
angezeigt. Falls entweder kein gültiger
Dienst gefunden wird oder der Diensttest für einen gekennzeichneten Dienst
versagt, wird ein Systemfehlercode, der einen ungültiger Dienst
angibt, auf der Anzeige angezeigt und verriegelt, um sicherzustellen,
dass der Ausfall bemerkt und ausgewertet wird, um den Fehler zu
korrigieren.
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Der
Zähler
von 1 stellt ebenfalls eine ferne Zählerablesung,
ferne Leistungsqualitätsüberwachung und
Umprogrammierung durch einen optischen Port 40 und/oder
einen Optionsverbinder 38 bereit. Obwohl optische Kommunikationen
in Verbindung mit dem optischen Port 40 verwendet werden
können,
kann der Optionsverbinder 38 beispielsweise für RF-Kommunikationen
oder elektronische Kommunikationen über Modem angepasst sein.
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Die
Systeme zum Durchführen
der Erfassung und der Kompensation der Leitungsfrequenz gemäß der vorliegenden
Erfindung sind vorzugsweise in Firmware implementiert, wobei derartige
Vorgänge
durch die korrekte Programmierung von Datentabellen ermöglicht werden.
Das System der vorliegenden Erfindung kann jedoch in Universalcomputer
mit Software oder exklusiv in Spezialhardware oder in einer Kombination
der beiden implementiert sein.
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Die
Dienstart, mit der der Zähler
verbunden ist, wird bestimmt, wie oben beschrieben ist. Nachdem
die Dienstart bestimmt ist, werden die Spannungsbeträge je Phase
geprüft.
Falls die Spannungsbeträge
je Phase in die erlaubten Parameter für alle Phasen fallen, dann
wird eine Nenndienstspannung bestimmt. Die Bestimmung einer gültigen Art
und einer gültigen
Nenndienstspannung für
diese Art definieren die Erfassung eines gültigen Dienstes.
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Spannung-Spannung-Phasenwinkel
werden bei der Bestimmung der Dienstart verwendet. Die Phasenwinkelbestimmung
kann in einer Anzahl von unterschiedlichen Weisen einschließlich des
Zählens
von Abtastungen zwischen ähnlichen
Spannungsnulldurchgängen
ausgeführt
werden, oder indem eine DFT (Diskrete Fourier-Transformation) zwischen
einer der Phasenspannungen von Interesse und einem idealen Signal,
das durch die andere Spannung von Interesse ausgelöst wird,
durchgeführt
wird. Die meisten Verfahren zum Messen der Phasenwinkel zwischen
zwei sinusförmigen
Signalen sind frequenzabhängig.
Somit ist die Bestimmung der Dienstart, mit der der Zähler verbunden
ist, ein Beispiel einer frequenzabhängigen Bestimmung.
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Unter
der Annahme, dass der Energiezähler
seine diskrete Abtastung zu festen Zeitintervallen ausführt, ist
der äquivalente
Winkel zwischen jeder Abtastung der Leitungsfrequenz direkt proportional.
Diese Proportionalität
mit der Leitungsfrequenz verursacht Fehler bei der Spannung-Spannung-Phasenwinkelmessung bei
beiden oben beschriebenen Verfahren, es sei denn, dass die Frequenzkompensation
verwendet wird.
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Um
die Frequenzkompensation durchzuführen, ist die aktuelle Frequenz
wünschenswerterweise
bekannt. Wenn bekannt ist, dass der Zähler die Signale bei bekannten
diskreten Zeitintervallen abtastet, kann das Zählen der Anzahl von Abtastungen
zwischen ähnlichen
Nulldurchgängen
(Leitungszyklen) als ein Verfahren verwendet werden, um die aktuelle
Leitungsfrequenz zu bestimmen. Mehr als ein Leitungszyklus kann
verwendet werden, falls die durchschnittliche Anzahl von Abtastungen
je Leitungszyklus berechnet wird. Jede ganzzahlige Anzahl von Leitungszyklen
(größer als
oder gleich Eins) kann verwendet werden, wobei jedoch je größer die
Anzahl von Leitungszyklen ist, desto genauer der Wert der aktuellen
Leitungsfrequenz ist.
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VERWENDUNG VON DFT
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Ein
beispielhaftes Verfahren zum Kompensieren von Leitungsfrequenzänderungen
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird in 2A und 2B gezeigt.
Eine DFT wird verwendet, um den Inhalt eines bestimmten Frequenzsignals
innerhalb eines Eingangssignals zu bestimmen. Die eine bestimmte Frequenz
wird hier als die ideale Frequenz bezeichnet. Eine Referenzwellenform
wird ebenfalls verwendet, um ideale Wellenformen zu synchronisieren.
Das Eingangssignal wird hier als die Eingangswellenform bezeichnet,
und es kann aus Grundfrequenz und einer beliebigen Anzahl seiner
Oberschwingungen zusammengesetzt sein.
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Wie
nachstehend ausführlicher
beschrieben wird, wird die DFT durch Multiplizieren der Eingangswellenform
mit zwei idealen Wellenformen der gleichen idealen Fre quenz bestimmt.
Eine ideale Wellenform ist 90° mit
der anderen idealen Wellenform phasenverschoben; d. h. eine ideale
Wellenform ist die gleichphasige Komponente und die andere ideale
Wellenform ist die Quadraturkomponente. Die Eingangswellenform wird somit
mit den beiden idealen Wellenformen getrennt multipliziert. Bei
der bevorzugten digitalen Abtastimplementierung werden die Produkte
getrennt über
eine programmierbare Anzahl X von abgeschlossenen Leitungszyklen
gemittelt. Ein einzelner Leitungszyklus wird hier für die Beschreibung
zwecks Einfachheit der Erläuterung
verwendet, wobei jedoch die gleichen Konzepte für die Verwendung bei der Mittelwertbildung über mehrere
Leitungszyklen Anwendung finden.
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Es
ist erwünscht,
den Phasenwinkel zwischen den Grundfrequenzen von zwei Echtzeit-Signalen
(der Eingangswellenform und der Referenzwellenform) genau zu bestimmen.
Um den Phasenwinkel mit einer DFT genau zu bestimmen, wird die tatsächliche
Leitungsfrequenz als die ideale Frequenz der beiden idealen Wellenformen
verwendet, und die beiden idealen Wellenformen werden mit der Referenzwellenform
synchronisiert. Es sei bemerkt, dass die Referenzwellenform nicht
analysiert sondern lediglich als eine Referenz verwendet wird.
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Falls
die tatsächliche
Leitungsfrequenz (die Eingangswellenform und die Referenzwellenform)
nicht bekannt ist und sich von der Nennleitungsfrequenz unterscheidet,
und die beiden idealen Wellenformen die Nennleitungsfrequenz sind,
dann wird das Ergebnis verglichen mit dem tatsächlichen Winkel fehlerhaft
sein. Zusätzlich
führen
Frequenzsynchronisationsprobleme ebenfalls zu Fehlern bei berechneten
Beträgen
im Vergleich mit den tatsächlichen
Beträgen.
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Außerdem wirft
bei einem digitalen Abtastsystem das Referenzieren oder Synchronisieren
einer idealen Wellenform mit einer sich wiederholenden Echtzeit-Wellenform
(wie beispielsweise die Referenzwellenform) einige Probleme auf.
Jeder Fehler bei der Synchronisation wandelt sich in einen direkten
Fehler in dem resultierenden Phasenwinkelwert um. Ein Bezugspunkt
auf einer sich wiederholenden Referenzwellenform ist der Nulldurchgang.
Nulldurchgänge
werden durch Berechnen des Produkts von zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen
bestimmt. Falls das Produkt positive ist, dann ist kein Nulldurchgang
aufgetreten. Falls das Produkt negativ ist und die erste Abtastung
positiv war, ist ein negativer Nulldurchgang aufgetreten. Falls
das Produkt negativ ist und die erste Abtastung negativ war, ist
ein positiver Nulldurchgang aufgetreten.
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Die
Varianz in den Phasenwinkeln der Oberschwingungen kann bewirken,
dass die Nulldurchgänge nicht
bei genau dem Nullgradpunkt der Grundfrequenz auftreten. Bei Anwendungen
in der realen Welt werden die Spannungen typischerweise durch die
Grundschwingung beherrscht, und eine kleine Veränderung bei der Winkelposition
des Nulldurchgangs macht keinen bedeutenden Unterschied. Das Ziel
besteht darin, die ideale Wellenform mit der Referenzwellenform
zu synchronisieren. Falls die ideale Wellenform jedoch nicht eingeleitet
wird, bis ein Nulldurchgang in den tatsächlichen Abtastdaten ersichtlich
ist, könnte
die ideale Wellenform der tatsächlichen
Wellenform um soviel wie eine Abtastzeit nacheilen.
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Um
die zuvor angegebenen Probleme anzusprechen, können mehrere Verfahren benutzt
werden. Die Kenntnis der aktuellen Leitungsfrequenz kann verwendet
werden, um das Problem der Änderung
der Leitungsfrequenz vom Nennwert zu kompensieren. Die Kenntnis
der aktuellen Leitungsfrequenz kann (1) durch Messen der aktuellen
Leitungsfrequenz direkt vor der Messung irgendeiner frequenzabhängigen Größe oder
(2) durch periodisches Messen der aktuellen Leitungsfrequenz und
Speichern ihrer gemittelten Werte erhalten werden. Das erste Verfahren
dauert länger,
wenn die Messung erwünscht
ist, wobei es jedoch zu einer Leitungsfrequenz führt, die näher zu der tatsächlichen
Zeit der Messung erfasst wird, und verglichen mit dem zweiten Verfahren
zum Bestimmen einer durchschnittlichen Leitungsfrequenz auf einer
fortlaufenden Grundlage ebenfalls weniger Speicher verwendet. Das
Verfahren zur Mittelwertbildung ermöglicht jedoch eine verbesserte
Genauigkeit durch die längere
Mittelwertbildung der Leitungsfrequenz und eine Verbesserung in
der Geschwindigkeit, da lediglich die Messung durchgeführt werden
muss (ohne die zusätzliche
Zeit, die erforderlich ist, um zuerst eine Frequenzmessung durchzuführen).
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Die
Netzleitungsfrequenz ändert
sich typischerweise nicht um große Beträge und typischerweise nicht sehr
schnell. So verwendet die bevorzugte Implementierung eine geringfügige Änderung
des obigen angegebenen ersten Verfahrens. Bei diesem Verfahren kann
es eine Anzahl von durchgeführten
Messungen geben, die alle frequenzabhängig sind. Diese Messungen
werden zusammen gruppiert, sodass sie alle sobald wie möglich nacheinander
durchgeführt
werden, und eine einzelne Leitungsfrequenzmessung wird am Anfang
der Messwertfolge durchgeführt,
und die gleiche eingestellte Frequenz wird als die ideale Frequenz
verwendet, um die beiden idealen Wellenformen für jede DFT-Messung zu erzeugen.
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Vor
Schritt 101 wird eine Instrumentierungsanfrage von dem
Mikrocontroller 16 zu dem Zähler IC 14 durchgeführt, um
die tatsächliche
Leitungsfrequenz zu bestimmen. Dann wird bei Schritt 101 eine
kompensierte Leitungsfrequenzanfrage durch den Zähler IC 14 von dem
Mikrocontroller 16 zusammen mit der Anzahl von Leitungszyklen
X empfangen, die bei der Abtastung zu verwenden sind. Bei Schritt 105 wird
ein Referenzsignal (d. h. eine Referenzwellenform) abgetastet. Bei
Schritt 109 wird die Referenzwellenform geprüft, um zu
bestimmen, ob sie bei einem Nulldurchgang ist. Falls sie es nicht
ist, wird eine weitere Abtastung der Referenzwellenform bei Schritt 105 erhalten.
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Falls
ein positiver Nulldurchgang der Referenzwellenform bei Schritt 109 erfasst
wird, dann werden die idealen Wellenformen bei Schritt 113 synchronisiert
und initialisiert. Ein Zyklus-Abwärtszähler wird bei Schritt 117 auf
die Anzahl von abzutastenden Leitungszyklen eingestellt. Summierakkumulatoren 1 und 2 (die
sich auf einen gleichphasigen Summierakkumulator bzw. einem Quadratursummierakkumulator
beziehen) und der Abtastzählwert
werden bei Schritt 121 initialisiert (auf Null gesetzt).
Eine Abtastung der Eingangswellenform wird bei Schritt 125 erhalten.
Die Eingangswellenform wird mit der idealen gleichphasigen Wellenform
bei Schritt 129 multipliziert, und das Produkt wird zu
dem gleichphasigen Summierakkumulator hinzugefügt. Die Eingangswellenform
wird mit der idealen Qadraturwellenform bei Schritt 133 multipliziert,
und das Produkt wird zu dem Quadratursummierakkumulator hinzugefügt.
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Bei
Schritt 137 wird der Abtastzählwert inkrementiert, und Schritt 141 tastet
die Referenzwellenform ab, um zu bestimmen, ob ein positiver Nulldurchgang
aufgetreten ist. Falls die Referenzwellenform nicht bei einem positiven
Nulldurchgang ist, wird eine weitere Abtastung der Eingangswellenform
erhalten und die Verarbeitung bei Schritt 125 fortgesetzt.
Falls die Referenzwellenform bei einem positiven Nulldurchgang bei Schritt 141 ist,
dann wird der Zyklus-Abwärtszähler bei
Schritt 145 dekrementiert. Bei Schritt 149 wird
der Wert des Zyklus-Abwärtszählers geprüft. Falls
der Wert nicht Null ist, dann wird eine weitere Abtastung der Eingangswellenform
erhalten und die Verarbeitung bei Schritt 125 fortgesetzt.
Falls der Wert des Zyklus-Abwärtszählers bei
Schritt 149 Null ist, dann werden die gleichphasige Größe und die
Quadraturgröße bei Schritt 153 bestimmt.
Die gleichphasige Größe ist gleich
dem Wert in dem gleichphasigen Summierakkumulator geteilt durch
den Abtastzählwert,
und die Quadraturgröße ist gleich
dem Quadratursummierakkumulator geteilt durch den Abtastzählwert.
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Die
resultierenden gleichphasigen und Quadraturgrößen (Mittelwerte) sind den
gleichphasigen und Quadraturkomponenten des idealen Frequenzsignals
innerhalb der Eingangswellenform proportional. Der Betrag der resultierenden
gleichphasigen und Quadraturgrößen (Mittelwerte)
werden bei Schritt 161 durch die Quadratwurzel der Summe
der Quadrate den gleichphasigen und Quadraturgrößen bestimmt. Der Betrag ist dem Produkt
des RMS-Werts des idealen Frequenzsignals in der Eingangswellenform
und dem RMS-Wert von jeder der idealen Wellenformen äquivalent.
(Es sei angenommen, dass die RMS-Werte von beiden der zwei idealen
Wellenformen die gleichen sind. Typischerweise ist der Spitzenwert
der idealen Wellenformen gleich 1, was zu einem RMS-Wert von (1/√2) führt.) So werden durch Teilen
des resultierenden Betrags durch den RMS-Wert von einer der idealen
Wellenformen die Beträge
des Signals der idealen Frequenz innerhalb Eingangswellenform bestimmt.
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Der
Winkel des Signals der idealen Frequenz innerhalb der Eingangswellenform
wird bei Schritt
165 mit Bezug auf die idealen Eingangssignale
durch Verwendung der gleichphasigen und Quadraturterme bestimmt.
Der resultierende Phasenwinkel wird bestimmt durch:
| Vorzeichen
der gleichphasigen Größe | Vorzeichen
der Quadratur-Größe | Winkelberechnung
(in Grad) |
| + | + | arctan(Quadratur/gleichphasig)
+ 0° |
| – | + | arctan(Quadratur/gleichphasig)
+ 180° |
| – | – | arctan(Quadratur/gleichphasig)
+ 180° |
| + | – | arctan(Quadratur/gleichphasig)
+ 360° |
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Obwohl
die gleichphasigen und Quadraturterme eine Funktion der RMS-Werte
der beiden idealen Wellenformen sind, müssen die RMS-Werte der beiden
idealen Wellenformen nicht wie bei der Betragsbestimmung entfernt
werden. Weil sie identische Werte bei sowohl gleichphasigen als
auch Quadraturtermen aufweisen und die Arkustangensfunktion an dem
Quotient der Quadratur- und gleichphasigen Werten durchgeführt wird,
heben sich die Effektivwerte der beiden idealen Wellenformen auf.
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Zur
Bestimmung des Spannung-Spannung-Phasenwinkels der Grundschwingungs-Leitungsfrequenz ist
das Zählen
von Abtastungen weniger komplex, wobei jedoch die Verwendung der
DFT für
diese Anwendung erlaubt, dass eine gemeinsame Funktion für mehrere
Zwecke verwendet werden kann. Zusätzlich zu der Erfassung des
Nennphasenwinkels erlaubt diese Funktionalität die Erfassung von einzelnen
Oberschwingungswerten höherer
Frequenzen. Die Verfügbarkeit
dieser Funktionalität
zusätzlich
zu der Fähigkeit, Effektivgrößen zu berechnen,
erlaubt die Berechnung von Größen der
Geamtoberschwingungsverzerrung.
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Somit
stellt die vorliegende Erfindung eine Anpassung an frequenzveränderliche
Messungen aufgrund von Änderungen
in der Leitungsfrequenz durch Bestimmen der Leitungsfrequenz vor
der Messung einer frequenzveränderlichen
Größe bereit.
Außerdem
wird die Einstellung durch Ändern
der idealen Frequenz der beiden idealen Wellenformen durchgeführt, die
für gleichphasige
und Quadraturmessungen verwendet werden.
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Außerdem wird
die aktuelle Leitungsfrequenz entweder durch Messung der Frequenz
direkt vor einer Messung oder auf einer sich fortwährend wiederholenden
Grundlage und Verwenden des letzten erfassten Werts als die aktuelle
Leitungsfrequenz bestimmt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf bestimmte spezifische
Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben ist, ist sie nichtsdestotrotz nicht
bestimmt, auf die gezeigten Einzelheiten begrenzt zu sein. Stattdessen
können
verschiedene Modifikationen in den Einzelheiten innerhalb des Schutzumfangs
der Ansprüche
und ohne von der Erfindung abzuweichen durchgeführt werden.