DE3524581A1 - Method and circuit for the fast determination of electrical quantities of alternating-current systems - Google Patents

Method and circuit for the fast determination of electrical quantities of alternating-current systems

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Edmund Prof Dr Ing Handschin
Thomas Dr Ing Reissing
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HANDSCHIN, EDMUND, PROF. DR.-ING., 4600 DORTMUND,
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    • G—PHYSICS
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    • G01R21/133—Arrangements for measuring electric power or power factor by using digital technique

Abstract

The method is particularly intended for determining the active, apparent and reactive power and the rms values of current and voltage, preferably in single-phase alternating-current systems, from measured original alternating-current and voltage signals, the electrical quantities only being determined from two pairs of measurement values per phase, the determination of which is effected by preferably simultaneous integration of the variation of current and voltage in a predetermined time interval. The circuit for carrying out the method exhibits for each original input signal an analog/digital converter with an active connection to the input of one integrator each and for both input signals jointly one processing unit, the inputs of which exhibit an active connection to the outputs of the integrators.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung elektrischer Größen von Wechselstromkreisen, insbesondere zur Ermittlung der Wirk, Schein- und Blindleistung sowie der Effektivwerte von Strom und Spannung, vorzugsweise in einphasigen Wechselstromsystemen, aus gemessenen originären Wechselstrom- und -spannungssignalen.The invention relates to a method for determining electrical quantities of AC circuits, in particular to determine the active, apparent and reactive power as well the effective values of current and voltage, preferably in single-phase AC systems, from measured original AC and voltage signals.

In der Elektrotechnik sind Verfahren zur Messung von Strom und Spannung sowie der daraus abgeleiteten Größen wie Wirk, Schein- und Blindleistung bekannt, die eine kontinuierliche Messung dieser Größen erlauben. Langsame Änderungen der originären Wechselstrom- und -spannungssignale, die als Eingangsgrößen für die Messung dienen, können durch die bekannten Verfahren mitverfolgt werden.In electrical engineering there are methods for measuring current and tension as well as the quantities derived from it, such as active, Apparent and reactive power known to be a continuous Allow measurement of these quantities. Slow changes in the original AC and voltage signals, which as Input variables for the measurement can be used through the known methods are followed.

Die bekannten analogen Verfahren weisen eine relativ große Einschwingzeit auf, so daß sie wohl langsamen Änderungen der Meßgröße folgen können, nicht aber zur Untersuchung schnell ablaufender Änderungen geeignet sind.The known analog methods have a relatively large one Settling time on, so they are probably slow changes can follow the measurand, but not for examination rapid changes are suitable.

Die bekannten digitalen Meßverfahren sind ebenfalls zu langsam, da ihre Meßprinzipien meist nur die digitale Abwandlung der bekannten analogen Geräte darstellen. Die verwendeten digitalen Abtastverfahren sind nachteilig störanfällig. Einzelne Störungsspitzen verfälschen stark das Meßergebnis.The known digital measuring methods are also closed slow, since their measuring principles mostly only involve the digital modification represent the known analog devices. The used digital scanning methods are disadvantageously susceptible to interference. Individual peaks greatly distort the measurement result.

Darüberhinaus weisen sie den Nachteil auf, daß sie durch den Einsatz sehr teurer 12-Bit-Analog-Digital-Wandler vielfach nicht wirtschaftlich anwendbar sind. Werden an die Dynamik der Geräte höhere Ansprüche gestellt, so sind besonders kostenaufwändige, schnelle Prozessoren zur Signalverarbeitung erforderlich, die den Preis der Geräte weiter nachteilig erhöhen. In addition, they have the disadvantage that they the use of very expensive 12-bit analog-digital converters in many cases are not economically applicable. Be to the The dynamics of the devices are more demanding, so are special costly, fast processors for signal processing required, which further adversely affects the price of the equipment increase.  

Aus wirtschaftlichen Gründen sowie aus Gründen der zu langen Einschwingzeiten bekannter Meßverfahren- und -geräte sind ihrem Einsatz in Regelungen sowohl technisch als auch wirtschaftlich enge Grenzen gesetzt. Der Elektrotechniker muß deshalb häufig zu prinzipiell schlechteren Regelungen übergehen, da die bekannten Meßverfahren und -geräte den gestellten Ansprüchen nicht gerecht werden.For economic reasons as well as for the sake of long settling times of known measuring methods and devices are their use in regulations both technically and economically narrow limits. The electrical engineer must therefore often lead to worse regulations in principle pass because the known measuring methods and devices the not meet the demands made.

Derartige Anwendungsfälle sind z. B. bei Energieversorgungs- unternehmen gegeben, in deren Netzen Leistungspendelungen durch Betriebsstörungen auftreten können. Auch beim Betrieb von Lichtbogenöfen, z. B. zum Einschmelzen und Raffinieren von Metallen, sind Leistungsregelungen zur Korrektur der Elektrodenabstände wünschenswert, aber aus den genannten Gründen nicht immer einsetzbar.Such applications are e.g. B. in energy supply given companies in their networks Power fluctuations occur due to operational disruptions can. Even when operating arc furnaces, e.g. B. to Melting and refining metals, are Power regulations for the correction of the electrode distances desirable, but not always for the reasons mentioned applicable.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren sowie eine Schaltung zur Realisierung des Meßverfahrens anzugeben, das bzw. die bei sehr kurzen Einschwingzeiten von beispielsweise typisch 20 msec., die Bestimmung der elektrischen Größen des Wechselstromkreises ermöglicht bei möglichst großer Unempfindlichkeit gegenüber einzelnen Störungen. Das Verfahren soll darüberhinaus kostengünstig realisierbar sein. Der Einsatz in Regelgeräten bzw. Regelkreisen sollte ebenfalls möglich sein. Außerdem sollen die Meßergebnisse leicht und einfach auswertbar und darstellbar sein.The object of the invention is a measuring method and a Specify circuit for realizing the measurement method that or the very short settling times of for example typically 20 msec., the determination of the electrical sizes of the AC circuit enables greatest possible insensitivity to individuals Disorders. The process is also said to be inexpensive be feasible. Use in control devices or Control loops should also be possible. In addition, should the measurement results can be easily and easily evaluated and be representable.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Bestimmung der elektrischen Größen aus nur drei Meßwerten je Phase erfolgt. Die interessierenden Größen können aus zwei Meßwertpaaren einfach durch entsprechende mathematische Verknüpfung vollständig bestimmt werden. Dies ist bei der Verknüpfung von erfindungsgemäß nur einem Meßwertpaar entsprechend schnell durchführbar. Die getrennte Bestimmung jeder einzelnen Größe entfällt vorteilhaft. Alle, den Wechselstromkreis beschreibende, Größen liegen kurzfristig vor. Falls nicht alle elektrischen Größen von Interesse sind, z. B. nur die Wirkleistung gemessen werden soll, so reichen auch weniger Meßwerte. Zur Ermittlung der Wirkleistung reichte z. B. sogar ein einziges Meßwertpaar.The object is achieved in that a determination of the electrical quantities from only three measured values per phase he follows. The sizes of interest can consist of two Measured value pairs simply by corresponding mathematical Linkage can be determined completely. This is with the Linking according to the invention only one pair of measured values can be carried out accordingly quickly. The separate provision each individual size is advantageously eliminated. All that  AC circuit descriptive sizes are short term in front. If not all electrical sizes are of interest are, e.g. B. only the active power is to be measured, so fewer measurements are sufficient. To determine the active power ranged z. B. even a single pair of measured values.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Ermittlung der Meßwerte durch, vorzugsweise gleichzeitige, Integration des Verlaufs von Strom und Spannung in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall erfolgt. Der vorgegebene zeitliche Intervall kann vorteilhaft kurz gewählt werden, so daß die Meßwertpaare in sehr kurzer Zeit vorliegen. Die erforderliche Gesamtdauer der Messung wird dadurch vorteilhaft kurz.In an embodiment of the invention it is provided that a Determination of the measured values by, preferably simultaneous, Integration of the course of current and voltage in one predetermined time interval takes place. The default the time interval can advantageously be chosen to be short, so that the measured value pairs are available in a very short time. The required total duration of the measurement advantageously short.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Integration von Strom und Spannung über eine Zeitdauer erfolgt, die der halben Periodendauer des Stroms oder der Spannung entspricht. Das Meßverfahren wird bei dieser Wahl der Integrationszeit besonders genau. Darüberhinaus ist das Meßverfahren vorteilhaft unempfindlich gegen auftretende Störungen.In a further embodiment of the invention it is provided that the integration of current and voltage over a period of time takes place which is half the period of the current or the Voltage corresponds. The measurement method is used in this choice the integration time particularly precisely. Furthermore, that is Measuring method advantageously insensitive to occurring Disorders.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Integration von Strom und Spannung über zeitlich versetzte Zeitintervalle, insbesondere um ein Viertel der Periodendauer versetzt, erfolgt. Durch den zeitlichen Versatz läßt sich das Signal besonders einfach zu den abgeleiteten Größen verknüpfen und auswerten.In a further embodiment of the invention it is provided that the integration of current and voltage over time staggered time intervals, in particular by a quarter of the Offset, takes place. Due to the time offset the signal can be derived particularly easily from the derived ones Link and evaluate sizes.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Bestimmung von Integralteilwerten zu Zeitpunkten erfolgt, die jeweils 1/4, 1/2, 3/4 und 4/4 der tatsächlichen Periodendauer des originären Signals entsprechen. Zur Ermittlung der Meßwerte braucht die Messung nur einmal gestartet zu werden. Alle interessierenden Integralwerte lassen sich aus den zu den erfindungsgemäß definierten Zeitpunkten ermittelten Integralwerten durch Vergleich bilden. Besonders vorteilhaft unabhängig von der Lage des Startzeitpunktes der Messungsphase des originären Signals wird das Verfahren, wenn für Spannung und Strom je zwei um T/4 versetzte Integralwerte ermittelt werden.In a further embodiment of the invention it is provided that integral partial values are determined at points in time which each correspond to 1/4, 1/2, 3/4 and 4/4 of the actual period of the original signal. To determine the measured values, the measurement only needs to be started once. All the integral values of interest can be formed from the integral values determined at the points in time defined according to the invention by comparison. The method becomes particularly advantageous regardless of the position of the starting time of the measurement phase of the original signal if two integral values offset by T / 4 are determined for voltage and current.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Bestimmung der Frequenz oder Periodendauer des Stroms oder der Spannung erfolgt. Dies ist eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Meßgenauigkeit des Verfahrens. Änderungen der Frequenz können so vorteilhaft berücksichtigt werden.In a further embodiment of the invention it is provided that a determination of the frequency or period of the current or the tension occurs. This is another measure to improve the measuring accuracy of the method. Changes in frequency can be beneficial be taken into account.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Korrektur der Meßwerte zu frequenzunabhängigen Meßwerten, insbesondere zu einem Meßwert der Wirk- und Blindleistung sowie der Effektivwerte von Strom und Spannung, selbsttätig erfolgt. Das Verfahren berücksichtigt so bereits auftretende Frequenzänderungen selbstständig. Eine nachträgliche manuelle Korrektur der Meßwerte ist nicht erforderlich. Der Meßwert bleibt so vorteilhaft unabhängig von Frequenzschwankungen.In a further embodiment of the invention it is provided that a correction of the measured values to frequency-independent measured values, especially for a measured value of the active and reactive power and the rms values of current and voltage, done automatically. The procedure takes into account Frequency changes already occurring independently. A subsequent manual correction of the measured values is not required. The measured value thus advantageously remains independent of frequency fluctuations.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Korrektur der Meßwertpaare durch Mutiplikation mit frequenzabhängigen Gewichtsfaktoren und Addition bzw. Subtraktion erfolgt. Die verfahrensmäßig durchzuführenden Korrekturrechnungen sind vorteilhaft einfach und lassen sich dadurch auch leicht schaltungstechnisch verwirklichen.In a further embodiment of the invention it is provided that a correction of the measured value pairs by multiplication with frequency-dependent weight factors and addition or Subtraction is done. The procedures to be carried out Correction calculations are advantageously simple and easy can also be easily implemented in terms of circuitry.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Korrektur von Offsetwerten durch Auswertung der Integrale über eine volle tatsächliche Periodendauer der originären Signale selbsttätig erfolgt. Selbst Offsetspannungen vermögen durch diese Maßnahme das Meßergebnis nicht zu verfälschen. Überraschenderweise ermöglicht das Verfahren so eine einfache und wirksame Unterdrückung von Offseteinflüssen.In a further embodiment of the invention it is provided that a correction of offset values by evaluating the integrals over a full actual period of the original Signals occur automatically. Even offset voltages are not able to measure the result of this measure distort. Surprisingly, the process enables  such a simple and effective suppression of offset influences.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Umwandlung von Strom- und Spannungssignalen in ein, vorzugsweise Rechtecksignal, pegelabhängiger variabler Frequenz erfolgt. Die analog anfallenden Strom- und Spannungssignale werden dadurch vorteilhaft einfach digitalisiert. Die weitere Verarbeitung des Meßsignals gem. dem Verfahren gestaltet sich dadurch besonders vorteilhaft einfach.In a further embodiment of the invention it is provided that converting current and voltage signals into a preferably square wave, level dependent variable Frequency. The analog current and This advantageously makes voltage signals simple digitized. The further processing of the measurement signal acc. this makes the method particularly advantageous easy.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Integration durch Zählen der Perioden des Signals pegelabhängiger Frequenz während eines vorgegebenen Zeitintervalls erfolgt. Dies stellt eine überraschend einfache Integration des Strom- oder Spannungssignals dar. Die einzelne, bei bekannten Verfahren notwendige Abtastung des originären Spannungs- oder Stromsignals und dabei punktweise erfolgende Umwandlung in einen digitalen Wert wird somit vorteilhaft umgangen. Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt bei geringem Aufwand in wesentlich kürzerer Zeit, so daß vorteilhaft kurze Einschwingzeiten nach diesem Verfahren realisierbar sind.In a further embodiment of the invention it is provided that the integration by counting the periods of the signal level-dependent Frequency during a given time interval he follows. This represents a surprisingly simple one Integration of the current or voltage signal. The individual scanning of the necessary in known methods original voltage or current signal and thereby point-by-point conversion into a digital value is thus advantageously avoided. The method according to the invention takes much less time with little effort Time, so advantageously short settling times after this Procedures are feasible.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Korrektur der Meßwerte zu frequenzunabhängigen Meßwerten durch Vergleich mit einer Referenz-Frequenz erfolgt. Die Bestimmung der Korrekturwerte läßt sich durch Vergleich mit einer Referenz-Frequenz besonders einfach gestalten, ohne das Meßverfahren nachteilig zu verzögern.In a further embodiment of the invention it is provided that the correction of the measured values to frequency-independent measured values by comparison with a reference frequency. The correction values can be determined by comparison make it particularly simple with a reference frequency, without delays the measurement process.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Verarbeitung der Meßwerte digital erfolgt. Die bereits als digitale Werte vorliegenden Meßwerte lassen sich durch vorhandene digitale Standardbauteile kostengünstig weiterverarbeiten und anzeigen. Auch die Speicherung auf Massenspeichern läßt sich in digitaler Form besonders einfach erreichen.In a further embodiment of the invention it is provided that the measured values are processed digitally. The already Measured values available as digital values can be existing digital standard components inexpensively further process and display. Even storing on  Mass storage can be particularly useful in digital form easy to reach.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verarbeitung vom originären Strom- oder Spannungssignal gesteuert erfolgt. Die Synchronisation zwischen dem zu messenden Strom- oder Spannungssignal und der Messung gem. dem beschriebenen Verfahren läßt sich vorteilhaft direkt von dem zu messenden Strom- oder Spannungssignal steuern. So ergeben sich feste Bezugspunkte zwischen Meß- und Verarbeitungszyklus und dem Strom- oder Spannungszyklus.In a further embodiment of the invention it is provided that the processing of the original current or voltage signal controlled. The synchronization between that too measuring current or voltage signal and the measurement acc. the process described can advantageously be carried out directly control of the current or voltage signal to be measured. This creates fixed reference points between the measuring and processing cycle and the current or voltage cycle.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Schaltung geeignet, die je originärem Eingangssignal einen Analog-Digital-Wandler mit einer Wirkverbindung zum Eingang je eines Integrierers und für beide Eingangssignale gemeinsam eine Recheneinheit aufweist, deren Eingänge eine Wirkverbindung mit den Ausgängen der Integrierer aufweisen. Die Recheneinheit kann durch die einfache Verknüpfung zweier Meßwerte alle übrigen abgeleiteten Größen kurzfristig bereitstellen. Mit überraschend wenigen Standardbauteilen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren realisieren.There is a circuit for performing the method suitable, one for each original input signal Analog-digital converter with an active connection to the input one integrator each and common to both input signals has a computing unit, the inputs of which have an operative connection with the outputs of the integrators. The Arithmetic unit can be created by simply linking two Measured values for all other derived quantities at short notice provide. With surprisingly few standard components the method according to the invention can be implemented.

In Ausgestaltung der Schaltung ist vorgesehen, daß sie ein zeitgebendes Bauteil, insbesondere einen Referenz-Oszillator mit einer Wirkverbindung zur Recheneinheit aufweist. Dadurch läßt sich vorteilhaft auch eine Korrektur des Meßergebnisses bei Frequenzänderungen erreichen.In the configuration of the circuit it is provided that it is a timing component, especially a reference oscillator with an operative connection to the computing unit. Thereby can also advantageously be a correction of the Reach measurement result with frequency changes.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen Wechselstromkreis und Analog-Digital-Wandler je Meßgröße ein Verstärker angeordnet ist. Der Verstärker erlaubt es, in weiten Bereichen das originäre Spannungs- oder Stromsignal an die Eingänge der Analog-Digital-Wandler anzupassen und entsprechend in ein niederohmiges Signal umzuwandeln. In a further embodiment of the invention it is provided that between AC circuit and analog-digital converter each Measured variable an amplifier is arranged. The amplifier allows it, in many areas the original tension or Adapt current signal to the inputs of the analog-digital converter and convert it accordingly into a low-resistance signal.  

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie einen Steuersignalgeber aufweist, insbesondere als Schmitt-Trigger ausgebildet, der eingangsseitig vorzugsweise mit der originären Meßgröße und ausgangsseitig mit der Recheneinheit eine Wirkverbindung aufweist. Der Steuersignalgeber erlaubt vorteilhaft die Synchronisation aller erforderlichen Meß- und Rechenvorgänge.In a further embodiment of the invention it is provided that it has a control signal generator, in particular as Schmitt trigger formed, the input side preferably with the original measurand and on the output side with the computing unit has an operative connection. The control signal generator advantageously allows the synchronization of all required measurement and calculation processes.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Recheneinheit als Mikroprozessor ausgebildet ist. Zur Verarbeitung der digital vorliegenden Signale lassen sich standardmäßig auf dem Markt vorhandene Mikropozessoren besonders günstig anwenden. Die Gestehungskosten des fertigen Meßgerätes werden dadurch vorteilhaft niedrig.In a further embodiment of the invention it is provided that the computing unit is designed as a microprocessor. For The digital signals can be processed Standard micro processors on the market use particularly cheap. The production costs of the finished measuring device are advantageously low.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen Referenz-Oszillator und Recheneinheit ein Zähler angeordnet ist. Mit dem Zähler läßt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein Korrekturwert in Verbindung mit dem Referenz-Oszillator ermitteln, mit dem die Meßwertpaare beschickt werden können, um das Meßergebnis frequenzunabhängig angeben zu können.In a further embodiment of the invention it is provided that a counter between the reference oscillator and the computing unit is arranged. With the counter you can on special simple and inexpensive way to combine a correction value with the reference oscillator with which the Measured value pairs can be loaded to the measurement result to be able to specify independent of frequency.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie in Regelgeräten, insbesondere zur Leistungsregelung, verwendet wird. Die Vorteile, die insbesondere in der kurzen Einschwingzeit des Verfahrens und der das Verfahren realisierenden Schaltung begründet sind, werden besonders vorteilhaft wirksam in Geräten zur Regelung elektrischer Größen in Wechselstromkreisen. Regelkreise, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Schaltung zur Ermittlung der Ist-Werte eingesetzt wird, können wesentlich schneller auf Regelabweichungen reagieren. Dies ist von besonderer Bedeutung u. a. auch bei technologischen Prozessen, wie z. B. das Einschmelzen von Metallen oder bei Regelvorgängen im Zusammenhang mit dem Betrieb elektrischer Versorgungsnetze. In a further embodiment of the invention it is provided that they in control devices, especially for power control, is used. The advantages, particularly in the short settling time of the process and the process realizing circuit are justified advantageously effective in devices for regulating electrical Sizes in AC circuits. Control loops in which the inventive method or the circuit for determining The actual values used can be significant react faster to control deviations. This is from special meaning u. a. also in technological processes, such as B. melting of metals or Control processes in connection with the operation of electrical Supply networks.  

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie in Störschreibern zur Aufzeichnung von Störungen in elektrischen Netzen verwendet wird. Die Unempfindlichkeit der Schaltung gegen Störimpulse und ihre kurze Einschwingzeit läßt sich besonders vorteilhaft nutzen zur unverfälschten Messung von Netzstörungen. Dabei werden die Meßwerte kontinuierlich auf einen zyklisch speichernden Datenträger geschrieben und ständig nach bestimmten Kriterien auf vorgekommene Störungen untersucht. Sobald das Kriterium erfüllt ist, wird die Messung abgebrochen und der Verlauf der Störung kann untersucht werden.In a further embodiment of the invention it is provided that them in fault recorders to record faults in electrical networks is used. The insensitivity the circuit against interference pulses and their short settling time can be used particularly advantageously for unadulterated measurement of network interference. The Measured values continuously on a cyclically storing data carrier written and constantly according to certain criteria examined for any faults. Once the criterion is met, the measurement is stopped and the course the fault can be examined.

Die Erfindung wird in einer Zeichnung in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt, wobei aus der Zeichnung weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung entnehmbar sind.The invention is preferred in a drawing Embodiment shown, with more from the drawing advantageous details of the invention can be found.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung, die das erfindungsgemäße Meßverfahren realisiert. Fig. 1 is a block diagram showing a circuit which realizes measurement method according to the invention.

Das Spannungs- und das Stromsignal des Meßobjektes 0 werden dem Meßgerät direkt oder über Wandler zugeführt. Die Eingangsstufen 1, 2 dienen dazu, die Meßsignale in einen zur Weiterverarbeitung geeigneten Pegelbereich umzusetzen und niederohmig zu machen. Dies wird mit Hilfe von entsprechenden Verstärkerschaltungen erreicht. Die nachfolgenden Spannungs-Frequenz-Wandler 3, 4 erzeugen nun Ausgangsimpulse, deren Frequenz proportional zum Augenblickswert des Meßsignals ist. Mit den Zählern werden diese Impulse aufsummiert. Die Differenz der Zählerstände, die am Anfang und Ende eines vorgegebenen Zeitintervalls abgelesen werden, sind ein Maß für das Integral des Meßsignals über diesem Zeitintervall.
In dem Nebenzweig des Spannungseingangs befindet sich ein Schmitt-Trigger 7, der mit der Recheneinheit 8, z. B. Einplatinen-Mikrocomputer, verbunden ist. Er signalisiert der Recheneinheit den Nulldurchgang des Spannungssignals, woraufhin die Zähler 5, 6 zurückgesetzt werden. The voltage and current signals of object 0 are fed to the measuring device either directly or via transducers. The input stages 1, 2 serve to convert the measurement signals into a level range suitable for further processing and to make them low-resistance. This is achieved with the help of appropriate amplifier circuits. The subsequent voltage-frequency converters 3, 4 now generate output pulses, the frequency of which is proportional to the instantaneous value of the measurement signal. These impulses are summed up with the counters. The difference in the counter readings, which are read at the beginning and end of a predetermined time interval, are a measure of the integral of the measurement signal over this time interval.
In the secondary branch of the voltage input there is a Schmitt trigger 7 , which is connected to the computing unit 8 , e.g. B. single-board microcomputer. It signals the computing unit the zero crossing of the voltage signal, whereupon the counters 5, 6 are reset.

Zu den Zeitpunkten T/4, T/2 und 3T/4 wird der aktuelle Stand der Zähler von der Recheneinheit abgelesen. Ein weiterer Ablesevorgang erfolgt zum Ende der Signalperiode, ausgelöst durch den Kippvorgang des Schmitt-Triggers. Auf diese Weise wird der Signaloffset mitgemessen, so daß ein Offsetabgleich der Schaltung nicht erforderlich ist. Um den Einfluß von Frequenzschwankungen auf das Meßergebnis zu eliminieren, ist zusätzlich eine genaue Messung der Periodendauer erforderlich. Dazu werden die Impulse eines Referenz-Oszillators 10 während einer Signalperiode des Spannungssignals durch den Zähler 11 ermittelt.
Aus den gewonnenen Meßdaten lassen sich mittels Programm die gesuchten Integrale leicht berechnen. Dies kann online geschehen, z. B. mit dem Ziel, die interessierenden Wechselstromgrößen auf einer Anzeigeneinheit 9 auszugeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die anfallenden Meßdaten in einem Massenspeicher 12 abzulegen und nach Beendigung der Messung mit Hilfe komfortabler Auswertungsprogramme zu untersuchen.At times T / 4, T / 2 and 3 T / 4, the current status of the counters is read by the computing unit. Another reading process takes place at the end of the signal period, triggered by the tilting process of the Schmitt trigger. In this way, the signal offset is also measured, so that an offset adjustment of the circuit is not necessary. In order to eliminate the influence of frequency fluctuations on the measurement result, an exact measurement of the period is also required. For this purpose, the pulses of a reference oscillator 10 are determined by the counter 11 during a signal period of the voltage signal.
The integrals sought can be easily calculated from the measurement data obtained using a program. This can be done online, e.g. B. with the aim of outputting the AC quantities of interest on a display unit 9 . Another possibility is to store the measurement data in a mass memory 12 and to examine them after the measurement has been completed using comfortable evaluation programs.

Die Erfindung bezieht sich auf folgendes Verfahren zur Erfassung der Wirk- und Blindleistung sowie der Effektivwerte in einem einphasigen Wechselstromsystem sowie zur Korrektur zur Frequenzabhängigkeit des Meßergebnisses.The invention relates to the following method for Acquisition of the active and reactive power as well as the effective values in a single-phase AC system and for Correction for the frequency dependence of the measurement result.

Die Wechselstromgrößen Spannung und Strom können in komplexer Schreibweise dargestellt werden als: The alternating current quantities voltage and current can be represented in complex notation as:

Bildet man nun das Produkt aus der komplexen Spannung und dem konjugiert komplexen Strom, so fällt der zeitabhängige Term heraus und man erhält die Scheinleistung S. If one now forms the product of the complex voltage and the conjugate complex current, the time-dependent term falls out and the apparent power S is obtained .

Durch Einsetzen von (2.1) und (2.2) in (2.3) ergibt sich Substituting (2.1) and (2.2) in (2.3) results in

Die Wirkleistung P und die Blindleistung Q können also aus zwei Paaren von diskreten Signalwerten exakt bestimmt werden. Dabei ist das Ergebnis unabhängig vom Abtastzeitpunkt. Lediglich der zeitliche Abstand zweier Meßwerte von T/4 ist von Bedeutung.
Das Quadrat der Effektivwerte berechnet sich zu oder mit (2.1) und (2.2) ausgedrückt Die Umsetzung der Beziehungen (2.4) und (2.6) in ein Abtastverfahren ist wegen der geringen Abtastwerte jedoch nicht sinnvoll.
Das neue Verfahren zur sicheren Meßwerterfassung besteht darin, den Signalverlauf über bestimmte Zeitintervalle zu integrieren und dabei die Tatsache auszunutzen, daß das Integral einer sinusförmigen Größe wieder eine Sinusfunktion ist. So kann der Momentanwert der Meßgröße als Integral über der Meßgröße ausgedrückt werden. Für die Spannung erhält man wobei t i die Integrationsdauer ist.
Das so ausgeführte Integral ist also proportional zu dem Momentanwert, den die Spannung auf der Mitte des Integrationsintervalls annimmt.
Durch Verschieben des Integrationszeitintervalls um T/4 erhält man entsprechend The active power P and the reactive power Q can therefore be exactly determined from two pairs of discrete signal values. The result is independent of the sampling time. Only the time interval between two measured values of T / 4 is important.
The square of the effective values is calculated or expressed with (2.1) and (2.2) However, the implementation of the relationships (2.4) and (2.6) in a sampling method is not meaningful because of the low sampling values.
The new method for reliable measured value acquisition consists in integrating the signal curve over certain time intervals and taking advantage of the fact that the integral of a sinusoidal quantity is again a sine function. The instantaneous value of the measured variable can thus be expressed as an integral over the measured variable. For the tension you get where t i is the integration period.
The integral thus executed is therefore proportional to the instantaneous value which the voltage assumes at the center of the integration interval.
By shifting the integration time interval by T / 4 one obtains accordingly

Die Auflösung nach den Momentanwerten und Einsetzen in (2.4) und (2.6) liefert die Bestimmungsgleichungen für Wirk- und Blindleistung sowie für die Effektivwerte von Spannung und Strom: The resolution after the instantaneous values and insertion in (2.4) and (2.6) provides the determination equations for active and reactive power as well as for the effective values of voltage and current:

Der Vorteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß die Bestimmung aller o. a. Größen P, Q, U, I aus nur zwei Meßwertpaaren möglich ist. Letztere erhält man aus der synchronen Integration von Spannung und Strom über zwei jeweils um T/4 versetzte Zeitintervalle. Dabei muß die Integrationsdauer t i von ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer T verschieden sein, da sonst die Integrale verschwinden.
Die maximale Genauigkeit des Meßergebnisses erzielt man, wenn die Integrationsdauer t i = T/2 beträgt, da der meßwertabhängige Anteil in (2.9...12) dann das größte Gewicht gegenüber dem Vorfaktor F erhält.
Das Meßverfahren ist weitgehend unempfindlich bezüglich auftretender Störungen. Wie man leicht nachrechnen kann, ergibt sich für t i = T/2 folgende Filtercharakteristik: wobei T s die Periodendauer einer sinusförmigen Störgröße ist.
Der Kurvenverlauf dieser Dämpfungsfunktion setzt sich aus zwei Anteilen zusammen.
Der erste Term bewirkt eine gleichmäßige Störsignalabschwächung um 20 dB/Dekade. Hochfrequente Störungen und Rauschen werden also einintegriert.
Der zweite Ausdruck erzeugt Polstellen mit unendlich großer Dämpfung. Die Lage dieser Pole ist abhängig von t i und kann daher beeinflußt werden.
Für t i = T/2 sind es alle geradezahligen Oberwellen, die vollständig unterdrückt werden.
Bei der schaltungstechnischen Realisierung des dargestellten Meßverfahrens wird man in der Regel den zeitlichen Versatz der Integrationsintervalle um T/4 auf eine bestimmte Signalfrequenz fest einstellen. Da das reale Signal jedoch im allgemeinen Frequenzschwankungen unterworfen ist, führt das zu ungenauen Meßergebnissen.
Der entstehende Fehler kann aber im nachhinein korrigiert werden, wenn die Periodendauer T des Signals mitgemessen wird. Mit Hilfe von modifizierten Bestimmungsformeln, in die dann nur die tatsächliche Periodendauer T+Δ T als Korrekturparameter eingeht, erhält man die exakten Meßergebnisse zu: The advantage of this measuring method is that it is possible to determine all of the above variables P, Q, U, I from only two pairs of measured values. The latter is obtained from the synchronous integration of voltage and current over two time intervals, each offset by T / 4. The integration time t i must be different from integer multiples of the period T , otherwise the integrals will disappear.
The maximum accuracy of the measurement result is achieved if the integration period is t i = T / 2, since the measured value-dependent part in (2.9 ... 12) then receives the greatest weight compared to the pre-factor F.
The measuring method is largely insensitive to disturbances. As can be easily calculated, the following filter characteristic results for t i = T / 2: where T s is the period of a sinusoidal disturbance.
The curve of this damping function consists of two parts.
The first term causes a uniform attenuation of the interference signal by 20 dB / decade. High-frequency interference and noise are therefore integrated.
The second expression creates pole points with infinite damping. The position of these poles depends on t i and can therefore be influenced.
For t i = T / 2, it is all even harmonics that are completely suppressed.
When implementing the measuring method shown in terms of circuitry, the time offset of the integration intervals by T / 4 will generally be set to a specific signal frequency. However, since the real signal is generally subject to frequency fluctuations, this leads to inaccurate measurement results.
The resulting error can, however, be corrected afterwards if the period T of the signal is also measured. With the help of modified determination formulas, which then only include the actual period T + Δ T as a correction parameter, the exact measurement results are obtained:

Claims (23)

1. Verfahren zur Ermittlung elektrischer Größen von Wechselstromkreisen, insbesondere zur Ermittlung der Wirk, Schein- und Blindleistung sowie der Effektivwerte von Strom und Spannung, vorzugsweise in einphasigen Wechselstromsystemen, aus gemessenen originären Wechselstrom- und -spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung der elektrischen Größen aus nur drei Meßwerten je Phase erfolgt. 1. A method for determining electrical quantities of AC circuits, in particular for determining the active, apparent and reactive power and the effective values of current and voltage, preferably in single-phase AC systems, from measured original AC and voltage signals, characterized in that a determination of the electrical Sizes from only three measured values per phase. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ermittlung der Meßwerte durch, vorzugsweise gleichzeitige, Integration des Verlaufs von Strom und Spannung in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that that a determination of the measured values through, preferably simultaneous, integration of the course of current and voltage in a given time Interval occurs. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration von Strom und Spannung über eine Zeitdauer erfolgt, die der halben Periodendauer des Wechselstroms oder der -Spannung entspricht.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the integration of electricity and voltage occurs over a period of time that the half period of the alternating current or the Voltage corresponds. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration von Strom und Spannung über zeitlich versetzte Zeitintervalle, insbesondere um ein Viertel der Periodendauer versetzt, erfolgt.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized characterized that the integration of Current and voltage over time intervals, especially by a quarter of the period offset, takes place. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung von Integralteilwerten zu Zeitpunkten erfolgt, die jeweils 1/4, 1/2 und 3/4 der tatsächlichen Periodendauer des originären Signals entsprechen.5. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized characterized in that a determination of Integral part values occur at times, each 1/4, 1/2 and 3/4 of the actual period of the correspond to the original signal. 6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung der Frequenz- oder Periodendauer des Stroms oder der Spannung erfolgt.6. The method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized characterized that a Determination of the frequency or period duration of the current or the tension occurs. 7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektur der Meßwerte zu frequenzunabhängigen Meßwerten, insbesondere zu einem Meßwert der Wirk- und Blindleistung, sowie der Effektivwerte von Strom und Spannung, selbsttätig erfolgt. 7. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized characterized that a Correction of the measured values to frequency-independent measured values, in particular to a measured value of the active and Reactive power, as well as the effective values of current and Tension, done automatically.   8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektur der Meßwerte durch Multiplikation mit frequenzabhängigen Gewichtsfaktoren und Addition bzw. Subtraktion erfolgt.8. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized characterized that a Correction of the measured values by multiplication with frequency-dependent weight factors and addition or Subtraction is done. 9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektur von Offsetwerten durch Auswertung der Integrale über eine volle tatsächliche Periodendauer der originären Signale selbsttätig erfolgt.9. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8, characterized in that a Correction of offset values by evaluating the integrals over a full actual period of the original signals occur automatically. 10. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umwandlung von Strom- und Spannungssignalen in ein, vorzugsweise Rechtecksignal pegelabhängiger variabler Frequenz erfolgt.10. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9, characterized in that a Converting current and voltage signals into a preferably square-wave signal level-dependent variable Frequency. 11. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration durch Zählen der Perioden des Signals pegelabhäniger Frequenz während eines vorgegebenen Zeitintervalls erfolgt.11. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10, characterized in that the Integration by counting the periods of the signal depending on the level Frequency during a given Time interval. 12. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Meßwertpaare zu frequenzunabhängigen Meßwerten durch Vergleich mit einer Referenz-Frequenz erfolgt.12. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10 or 11, characterized in that the correction of the measured value pairs to frequency-independent measured values by comparison with a reference frequency. 13. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitung der Meßwerte digital erfolgt.13. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12, characterized in that the measured values are processed digitally. 14. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung vom originären Strom- oder Spannungssignal gesteuert erfolgt. 14. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 or 13, characterized in that the processing of the original electricity or Voltage signal is controlled.   15. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie je originärem Eingangssignal (U, 1) einen Analog-Digital-Wandler mit einer Wirkverbindung zum Eingang je eines Integrierers und für beide Eingangssignale gemeinsam eine Recheneinheit (8) aufweist, deren Eingänge eine Wirkverbindung mit den Ausgängen der Integrierer aufweisen.15. Circuit for performing the method according to one or more of the preceding claims, characterized in that it has an analog-to-digital converter for each original input signal ( U , 1 ) with an active connection to the input of one integrator and a computing unit for both input signals ( 8 ), the inputs of which have an active connection with the outputs of the integrators. 16. Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zeitgebendes Bauteil insbesondere einen Referenz-Oszillator (10), mit einer Wirkverbindung zur Recheneinheit (8) aufweist.16. The circuit according to claim 15, characterized in that it has a timing component, in particular a reference oscillator ( 10 ), with an operative connection to the computing unit ( 8 ). 17. Schaltung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wechselstromkreis (0) und Analog-Digital-Wandler je Meßgröße ein Verstärker (1, 2) angeordnet ist.17. The circuit according to claim 14, 15 or 16, characterized in that an amplifier ( 1, 2 ) is arranged between the AC circuit ( 0 ) and analog-digital converter for each measured variable. 18. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Steuersignalgeber aufweist, insbesondere als Schmitt-Trigger (7) ausgebildet, der eingangsseitig vorzugsweise mit der originären Meßgröße und ausgangsseitig mit der Recheneinheit eine Wirkverbindung aufweist.18. Circuit according to claim 14, 15, 16 or 17, characterized in that it has a control signal generator, in particular in the form of a Schmitt trigger ( 7 ) which has an active connection on the input side, preferably with the original measured variable and on the output side with the computing unit. 19. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Analog-Digital-Wandler als Spannungs-Frequenz-Wandler (3, 4) ausgebildet sind und die Integratoren als Zähler (5, 6), insbesondere rücksetzbare Zähler, ausgebildet sind, die eine Wirkverbindung zu der Recheneinheit (8) aufweisen. 19. Circuit according to claim 14, 15, 16, 17 or 18, characterized in that the analog-digital converter is designed as a voltage-frequency converter ( 3, 4 ) and the integrators as counters ( 5, 6 ), in particular resettable counters are formed, which have an operative connection to the computing unit ( 8 ). 20. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16, 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (8) als Mikroprozessor ausgebildet ist.20. Circuit according to claim 14, 15, 16, 17, 18 or 19, characterized in that the computing unit ( 8 ) is designed as a microprocessor. 21. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Referenz-Oszillator (10) und Recheneinheit (8) ein Zähler (11) angeordnet ist.21. Circuit according to claim 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20, characterized in that a counter ( 11 ) is arranged between the reference oscillator ( 10 ) and the computing unit ( 8 ). 22. Schaltung nach Anspruch 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Regelgeräten, insbesondere zur Leistungsregelung, verwendet wird.22. Circuit according to claim 15, 16, 17, 18, 19, 20 or 21, characterized in that they are in Control devices, in particular for power regulation, is used. 23. Schaltung nach Anspruch 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Störschreibern zur Aufzeichnung von Störungen in elektrischen Netzen verwendet wird.23. Circuit according to claim 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 or 22, characterized in that it in fault recorders for recording faults in electrical networks is used.
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