Способ и система измерения зависящих от частоты электрических параметров

 

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат - повышение точности. Система и способ предназначены для улучшения способности счетчика электроэнергии проводить измерения сигналов за счет определения содержания различных гармоник основной частоты. Определение и компенсацию частоты напряжения сети питания производят ранее осуществления измерений зависящего от частоты параметра. 5 с. и 38 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение главным образом имеет отношение к области электронных счетчиков электроэнергии, а более конкретно настоящее изобретение связано с созданием электронных счетчиков электроэнергии с встроенной системой компенсации изменений частоты в электрической сети, к которой подключен счетчик электроэнергии.

Передачу основной части электроэнергии при переменных напряжениях и токах производят на некоторых номинальных частотах, обычно на частоте 50 или 60 Гц. Небольшие вариации номинальной частоты напряжения сети питания мало влияют на электромеханический счетчик электроэнергии, так как обычно в качестве электромеханических счетчиков электроэнергии используют ваттметры или варметры (счетчики реактивных вольт-ампер), в которых применены трансформаторы поперечного регулирования напряжения (фазорегуляторы), точность измерения которых обычно не зависит от частоты.

Прошедшее в последнее время прекращение регулирования (децентрализация) электростанций общего пользования создало рынок продуктов, которые облегчают эффективное распределение и проведение текущего контроля электрической мощности. До этого электростанции общего пользования были встроены в инфраструктуру, которая не позволяла получать адекватную информацию для осуществления текущего контроля и регулирования электрической энергии в системе распределения.

Одной из причин необходимости текущего контроля частоты напряжения сети питания является повышение интереса к точному измерению гармоник электроэнергетической системе общественного пользования и беспокойства по этому поводу. В известных ранее счетчиках электроэнергии мало внимания обращали на гармоники, однако в настоящее время наблюдается явное повышение интереса к этому вопросу, так как увеличились нагрузки потребителей электроэнергии, создающих гармоники в энергосистеме общего пользования. Эти гармоники могут создавать вольт-амперные (ВА) нагрузки на трансформаторы, которые превышают ожидаемые, а также приводить к снижению расходов (оплаты за электроэнергию) потребителя при действительном исключении гармонических составляющих из энергосистемы общего пользования. Для осуществления точных измерений объема гармоник в сигналах напряжения или тока желательна компенсация частоты.

В последние несколько лет появились электронные счетчики электроэнергии с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и цифровой обработкой сигналов. Совсем недавно появились цифровые счетчики электроэнергии с дополнительными средствами измерения, которые позволяют пользователю практически мгновенно производить считывание таких показаний, как сдвиг по фазе одного напряжения относительно другого напряжения, сдвиг по фазе тока относительно напряжения, а также фазовых коэффициентов мощности (cos fi), фазных напряжений, фазных токов, фазовых гармоник напряжений, фазовых гармоник тока, фазовых и системных ватт, фазовых и системных вольт-ампер (ВА), фазовых и системных реактивных вольт-ампер (BAP) и, кроме того, полных нелинейных (гармонических) искажений напряжений и токов. Одной из проблем, которую необходимо учитывать, является проблема зависимости от частоты, особенно таких показаний, как гармоники фазных напряжений и токов.

Цифровые счетчики электроэнергии обычно производят повторяющуюся обработку выборок с фиксированными временными интервалами, и несмотря на то, что некоторые физические величины могут быть рассчитаны мгновенно по набору выборок, другие физические величины получают в результате желательного усреднения по одному или нескольким периодам сети питания. Так как при фиксированной частоте выборок получают постоянное число выборок в каждом периоде сети питания, то обычно производят компенсацию изменений частоты напряжения сети питания, чтобы избежать получения ошибочных результатов. Типичным средством корректировки среднеквадратичных (действующих) (RMS) значений напряжений, среднеквадратичных значений токов и вольт-амперной (ВА) кажущейся энергии является обнаружение точек пересечения сигналом нулевого уровня и усреднение результатов по числу выборок, которые имеются в этом гибком периоде. Однако другие более сложные расчетные данные, такие как гармоники, не могут быть полностью скомпенсированы после проведения измерений и проведения промежуточных расчетов.

Настоящее изобретение направлено на создание системы и способа улучшения измерений при помощи электронного счетчика для определения содержания различных частот и гармоник основной частоты для сигналов переменного тока и для энергии (ватт, ВАР и ВА), получаемых из произведения напряжения и токов специфических частот. Определение и компенсацию частоты напряжения сети питания производят ранее проведения измерения зависящего от частоты параметра или определения зависящего от частоты параметров.

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается способ компенсации изменения частоты электрической энергии, подводимой к счетчику электроэнергии при помощи системы энергоснабжения, который включает в себя следующие операции: измерение частоты электрической энергии; выбор опорной формы сигнала (колебания), имеющей переход через нулевой уровень в положительном направлении; синхронизация двух идеальных форм сигнала с опорной формой сигнала, причем каждая из идеальных форм сигнала имеет идеальную частоту; получение формы колебания входного сигнала; определение величины (амплитуды) сигнала идеальной частоты в (внутри) форме колебания входного сигнала; и определение угла сигнала идеальной частоты в форме колебания входного сигнала. Полученные физические величины могут быть использованы для определения количества обычно нежелательных гармоник в индивидуальных сигналах, а также для определения углов между первыми гармониками (основными частотами) искаженных иным образом сигналов.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показана блок-схема, на которой можно видеть функциональные компоненты типичного счетчика электроэнергии и их связи, выполненные в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2А и 2В показан типичный способ ДПФ (дискретного преобразования Фурье) в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение направлено на создание системы и способа улучшения измерений при помощи электронного счетчика для определения содержания различных частот и гармоник основной частоты для сигналов переменного тока (напряжения и тока). Определение и компенсацию частоты напряжения сети питания производят ранее проведения измерений зависящего от частоты параметра или определения зависящего от частоты параметров.

В большинстве известных в настоящее время твердотельных счетчиков электроэнергии производят цифровую выборку сигналов напряжения и тока в одной из трех различных фаз и обычно производят обработку указанных сигналов для получения физических величин, необходимых для начисления оплаты потребляемой электроэнергии (таких как ватт-часы, ВАР-часы или ВА-часы). Такие современные счетчики электроэнергии позволяют также определять множество других физических величин, причем при расширении их функциональных возможностей указанные счетчики также обладают возможностью проведения обработки указанных физических величин для определения как правильности монтажных соединений вне собственно счетчика электроэнергии, так и других необычных параметров, таких как гармоники.

Далее будут описаны со ссылкой на чертежи системы и способы обнаружения и компенсации изменений частоты напряжения сети питания, выполненные в соответствии с настоящим изобретением. Для специалистов в данной области совершенно ясно, что это описание дано только для пояснения изобретения, в качестве примера, не имеющего ограничительного характера. Например, в ходе описания преимущественного варианта осуществления указанных системы и способа обнаружения для пояснения изобретения использован типичный электронный счетчик электроэнергии, который приведен только для пояснения изобретения, в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, причем в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие системы измерения.

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются характеристики (признаки) системы и способа обнаружения и компенсации изменений частоты напряжения сети питания, в сочетании с измерением электрической энергии в одной фазе или в нескольких фазах. На фиг.1 показана блок-схема, на которой можно видеть функциональные компоненты типичного счетчика и их связи, выполненные в соответствии с настоящим изобретением. Этот счетчик электроэнергии описан в находящейся на одновременном рассмотрении заявке РСТ "Счетчик электроэнергии с устройством текущего контроля качества электроэнергии и с системами диагностики", № PCT/US97/18547, с датой подачи 16 октября 1997, которая включена в данное описание в качестве ссылки.

Как это показано на фиг.1, счетчик для измерения трехфазной электроэнергии преимущественно содержит жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 30, измерительную интегральную схему (ИС) 14, которая преимущественно включает в себя аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и программируемый цифровой процессор сигналов ЦПС, а также микроконтроллер 16.

Аналоговые сигналы напряжения и тока, поступающие по силовым распределительным линиям от генератора мощности системы энергоснабжения поставщика к потребителю электроэнергии, приходят на делители напряжения (12А, 12В, 12 С и на соответствующие токовые трансформаторы (ТТ) или шунты 18A, 18В, 18С. Выходы соответствующих делителей 12А-12С и токовых трансформаторов 18А-18С или сигналы измеренного напряжения и тока соединены со входами измерительной ИС 14. Имеющиеся в измерительной ИС 14 аналого-цифровые преобразователи производят преобразование сигналов измеренного напряжения и тока в цифровое отображение аналоговых сигналов напряжения и тока. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения аналого-цифровое преобразование производят в соответствии с описываемым в патенте США № 5544089, в котором использованы мультиплексные (работающие с уплотнением) аналого-цифровые преобразователи". Цифровые отображения аналоговых сигналов напряжения и тока затем вводят в микроконтроллер 16 по IIC шине 36.

Связь микроконтроллера 16 с измерительной ИС 14 и с одним или несколькими запоминающими устройствами осуществляется при помощи IIC шины 36. В качестве запоминающего устройства преимущественно используют долговременное запоминающее устройство, такое как электронно-перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) 35, в котором хранят данные относительно номинальных фазных напряжения и тока и пороговые данные, а также программы и программные данные. После подачи питания, например после инсталляции, перерыва в подаче энергии или изменения данных, выбранные данные, хранящиеся в EEPROM 35, могут быть загружены в оперативную память ОЗУ программ и введены в ОЗУ данных, которые предусмотрена в измерительной ИС 14, как это показано на фиг.1. Цифровой процессор ЦПС под управлением микроконтроллера 16 производит обработку цифровых сигналов напряжения и тока в соответствии с загруженными программами, а также в соответствии с информацией, которая хранится в соответствующих ОЗУ программ и в ОЗУ данных.

Для осуществления измерений и компенсации частоты напряжения сети питания измерительная ИС 14 осуществляет текущий контроль частоты напряжения сети питания, например, в течение двух периодов сети питания. Следует иметь в виду, что число измеряемых периодов сети питания является программируемым, причем для указанных измерений может быть использовано различное число периодов сети питания.

После подачи питания при инсталляции может быть проведена эксплуатационная проверка (тест) для определения типа системы энергоснабжения и/или для проверки системы энергоснабжения. Счетчик электроэнергии может быть запрограммирован на работу с заданной системой энергоснабжения или же он может определять тип системы энергоснабжения при проведении эксплуатационной проверки. Если используют указанную проверку для определения типа системы энергоснабжения, то первоначально определяют число активных элементов, для чего проверяют наличие напряжения на каждом элементе (то есть на 1, 2 или 3 элементах). После определения числа активных элементов многие системы энергоснабжения могут быть исключены из списка возможных типов систем энергоснабжения. После этого может быть вычислен фазовый угол напряжения относительно фазы А и произведено его сравнение с каждым фазовым углом для вращении abc или cba, по отношению к остающимся возможным системам энергоснабжения. Если в результате сравнения фазовых углов найдена действительная система энергоснабжения, то тогда напряжение сети питания преимущественно определяют путем сравнения измеренных RMS напряжений для каждой фазы с номинальными фазными напряжениями для найденного типа системы энергоснабжения. Если номинальные фазные напряжения для найденного типа системы энергоснабжения совпадают с измеренными значениями в пределах приемлемого диапазона допусков, то можно считать, что действительная система энергоснабжения идентифицирована, при этом преимущественно выводят на индикацию поворот фаз, напряжение сети питания и тип системы энергоснабжения. Информация о системе энергоснабжения может быть вручную или автоматически введена в запоминающее устройство, а преимущественно в долговременное запоминающее устройство, такое как EEPROM 35. Среди типов систем энергоснабжения могут быть 4-проводное соединение звездой, 3-проводное соединение звездой, 4-проводное соединение треугольником, 3-проводное соединение треугольником или же система с одной фазой.

Если тип системы энергоснабжения известен заранее и фиксирован, то при проведении эксплуатационной проверки преимущественно убеждаются в том, что на каждый элемент поступает фазный потенциал, а также в том, что фазовые углы находятся в пределах заданного процентного отклонения от номинальных фазовых углов для известной системы энергоснабжения. Также производят измерение фазных напряжений и сравнивают их с номинальными напряжениями системы энергоснабжения, чтобы определить, находятся ли они в пределах заданного диапазона допусков номинальных фазных напряжений. Если напряжения и фазовые углы лежат в заданных пределах, то на индикацию выводят поворот (фаз, напряжение сети питания и тип системы энергоснабжения. Если действительная система энергоснабжения не найдена или если эксплуатационная проверка для назначенной системы энергоснабжения окончилась неудачно, то на индикацию выводится код системной ошибки для данной системы энергоснабжения, который запоминают для последующей оценки и корректировки ошибки.

Показанный на фиг.1 счетчик электроэнергии позволяет также производить дистанционные измерения, дистанционный текущий контроль качества электроэнергии и перепрограммирование при помощи оптического порта 40 и/или соединителя 38. Несмотря на то что при помощи оптического порта 40 может быть осуществлена оптическая связь, соединитель 38 может быть использован для организации РЧ-связи или электронной связи, например, при помощи модема.

Системы для обнаружения напряжения сети питания и компенсации изменений частоты в электрической сети в соответствии с настоящим изобретением преимущественно реализованы при помощи микропрограммного обеспечения, причем в таком случае указанные операции предусматривают использование правильного программирования таблиц данных. Однако система в соответствии с настоящим изобретением может быть также реализована как при помощи компьютеров общего назначения с использованием программного обеспечения, так и при помощи только аппаратных средств специального назначения или же при использовании комбинации указанных двух вариантов средств.

Тип системы энергоснабжения, к которой подключен счетчик электроэнергии, определяют в соответствии с изложенным здесь ранее. После определения типа системы энергоснабжения проверяют значение фазного напряжения. Если значения фазного напряжения для всех фаз не выходят из допустимого диапазона, тогда определяют номинальное напряжение системы энергоснабжения. При условии определения действительного типа системы энергоснабжения и действительного номинального напряжения для системы энергоснабжения указанного типа можно считать, что действительная система энергоснабжения определена.

Фазовые углы между напряжениями используют для определения типа системы энергоснабжения. Определение фазового угла может быть произведено при помощи различных методов, в том числе при помощи подсчета выборок между аналогичными пересечениями нулевого уровня напряжением, или же путем выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) между одним из представляющих интерес фазных напряжений и идеальным сигналом, запускаемым при помощи другого из представляющих интерес фазных напряжений. Большинство методик для измерения фазовых углов между двумя синусоидальными напряжениями являются зависящими от частоты. Следовательно, определение типа системы энергоснабжения, к которой подключен счетчик электроэнергии, является примером зависящего от частоты определения.

Если допустить, что счетчик электроэнергии производит дискретные выборки с фиксированными интервалами времени, то тогда эквивалентный угол между двумя любыми выборками будет прямо пропорционален частоте напряжения сети питания. Эта пропорциональность частоте напряжения сети питания создает ошибки в измерениях фазового угла между двумя напряжениями для обоих указанных выше методов, если не использовать компенсацию частоты.

Для осуществления компенсации частоты желательно знать текущую частоту. Если известно, что счетчик производит выборки сигналов с известными дискретными интервалами времени, то подсчет числа выборок между подобными пересечениями нулевого уровня (между периодами сети) может быть использован в качестве метода определения текущей частоты напряжения сети питания. Могут быть использованы несколько периодов сети питания, если производят вычисление усредненного числа выборок на период сети. Может быть использовано любое целое число периодов сети (равное или превышающее единицу), однако чем больше число периодов сети, тем выше точность определения текущей частоты напряжения сети питания.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДПФ

Пример способа компенсации изменений частоты напряжения сети питания в соответствии с настоящим изобретением приведен на фиг.2А и 2В. ДПФ используют для определения содержимого одного особого (индивидуального) частотного сигнала внутри входного сигнала. Эта особая частота именуется здесь идеальной частотой. Опорную форму колебаний используют также для синхронизации идеальных форм колебаний, что описано здесь далее. Входной сигнал именуется здесь входной формой колебаний, которая может содержать основную частоту и любое число ее гармоник.

Как это описано здесь далее более подробно, ДПФ находят при помощи умножения входной формы колебаний на две идеальные формы колебаний такой же идеальной частоты. Одна идеальная форма колебаний имеет сдвиг по фазе на 90 градусов относительно другой идеальной формы колебаний, то есть одна идеальная форма колебаний представляет собой синфазную составляющую, а другая идеальная форма колебаний представляет собой квадратурную составляющую. Умножение входной формы колебаний на две идеальные формы колебаний производят раздельно. В соответствии с предпочтительным вариантом цифровой дискретизации произведения усредняют раздельно по программируемому числу, X, полных периодов сети. Единственный период сети питания использован в настоящем описании для упрощения объяснения, однако следует иметь в виду, что такие же концепции применимы для усреднения по множеству периодов сети питания.

Желательно производить точное определение фазового угла между основными частотами двух сигналов в реальном времени (для входной формы сигнала и опорной формы сигнала). Для точного определения фазового угла с использованием ДПФ используют действительную частоту напряжения сети питания в качестве идеальной частоты двух идеальных форм сигнала, причем две идеальные формы сигнала синхронизированы с опорной формой сигнала. Следует иметь в виду, что анализ опорной формы сигнала не производится, ее просто используют в качестве опоры.

Если действительная частота напряжения сети питания (для входной формы сигнала и опорной формы сигнала) неизвестна и отличается от номинала, а две идеальные формы сигнала имеют номинальную частоту напряжения сети питания, то тогда результатом будет ошибка относительно действительного угла. Кроме того, проблемы синхронизации частоты также ведут к появлению ошибок расчетных величин относительно действительных величин.

Более того, в системе цифровой дискретизации сравнение с опорой или синхронизация идеальной формы сигнала с повторяющейся формой сигнала в реальном масштабе времени (с такой, как опорная форма сигнала) создает некоторые проблемы. Любая ошибка в синхронизации трансформируется в прямую ошибку значения результирующего фазового угла. Опорной точкой повторяющейся опорной формы сигнала является пересечение нулевого уровня. Точки пересечения нулевого уровня определяют путем вычисления произведения двух последовательных выборок. Если указанное произведение положительное, то тогда пересечение нулевого уровня не произошло. Если указанное произведение отрицательное и первая выборка положительная, то тогда имеет место переход через нулевой уровень в отрицательном направлении. Если указанное произведение отрицательное и первая выборка отрицательная, то тогда имеет место переход через нулевой уровень в положительном направлении.

Дисперсия фазовых углов гармоник может приводить к тому, что пересечения нулевого уровня имеют место не точно в точке нуля градусов основной частоты. В практических применениях в напряжениях обычно доминирует основная частота, поэтому небольшие изменения углового местоположения точки пересечения нулевого уровня не приводят к существенной разности. Задачей является синхронизация идеальных форм сигнала с опорной формой сигнала. Однако если идеальная форма сигнала не инициируется до момента появления пересечения нулевого уровня в данных действительной выборки, то идеальная форма сигнала может отставать от действительной формы сигнала на время одной выборки.

Для решения указанных здесь выше проблем могут быть использованы различные методы. Сведения о текущей частоте напряжения сети питания могут быть использованы для компенсации отклонения текущей частоты напряжения сети питания от номинала. Сведения о текущей частоте напряжения сети питания могут быть получены (1) при помощи измерения текущей частоты напряжения сети питания непосредственно перед проведением измерений любой зависящей от частоты физической величины или (2) при помощи периодического измерения текущей частоты напряжения сети питания и запоминания ее усредненного значения. Первый метод требует больше времени на проведение желательного измерения, но найденная частота напряжения сети питания находится ближе в действительному времени проведения измерений, причем требуется хранение меньшего объема информации в запоминающем устройстве по сравнению со вторым методом определения усредненной частоты напряжения сети питания. Однако метод определения усредненной частоты напряжения сети питания позволяет получать повышенную точность при длительном усреднении частоты, а также обладает повышенной скоростью, так как требуется произвести только само измерение (без дополнительного времени, которое необходимо для того, чтобы сначала произвести измерение частоты).

Изменения частоты напряжения силовой сети питания обычно незначительны и обычно происходят медленно. Для таких небольших изменений преимущественно используют указанный выше первый метод. При осуществлении этого метода может быть проведен ряд измерений, все из которых являются зависящими от частоты. Все эти измерения группируют вместе, так чтобы произвести их возможно быстрее друг за другом, причем единственное измерение частоты напряжения сети питания проводят в начале измерительной последовательности, при этом одну и ту же выверенную частоту используют в качестве идеальной частоты для генерации двух идеальных форм сигнала для каждого ДПФ измерения.

Ранее проведения операции 101 следует организовать запрос на проведение измерения из микроконтроллера 16 на измерительную ИС 14 для определения действительной частоты напряжения сети питания. Затем, при проведении операции 101, запрос на проведение компенсации частоты напряжения сети питания поступает на измерительную ИС 14 от микроконтроллера 16 вместе с числом периодов сети питания, X, которое следует использовать в выборке. При проведении операции 105 производят дискретизацию опорного сигнала (то есть опорной формы колебания). При проведении операции 109 производят проверку опорной формы колебания и определяют, соответствует ли она точке пересечения нулевого уровня. Если это не так, то при проведении операции 105 получают другую выборку опорной формы колебания.

Если при проведении операции 109 получают переход через нулевой уровень в положительном направлении, то тогда производят синхронизацию и инициализацию идеальных форм сигналов при проведении операции 113. При проведении операции 117 в счетчик периодов, работающий на вычитание, вводят число периодов сети питания. При проведении операции 121 производят инициализацию (установку на нуль) накапливающих сумматоров 1 и 2 (именуемых соответственно синфазным накапливающим сумматором и квадратурным накапливающим сумматором) и числа выборок. При проведении операции 125 получают выборку входной формы сигнала. При проведении операции 129 входную формы сигнала умножают на синфазную идеальную форму сигнала, а полученное произведение добавляют в синфазный накапливающий сумматор. При проведении операции 133 входную форму сигнала умножают на квадратурную идеальную форму сигнала, а полученное произведение добавляют в квадратурный накапливающий сумматор.

При проведении операции 137 число выборок увеличивают, а при проведении операции 141 определяют для опорной формы сигнала, имеется ли переход через нулевой уровень в положительном направлении. Если опорная форма сигнала не имеет перехода через нулевой уровень в положительном направлении, то берут другую выборку входной формы сигнала и обработку продолжают при проведении операции 125. Если при проведении операции 141 опорная форма сигнала имеет переход через нулевой уровень в положительном направлении, то тогда при проведении операции 145 уменьшают число периодов в счетчике, работающем на вычитание. При проведении операции 149 проверяют число периодов в счетчике, работающем на вычитание. Если это число не равно нулю, то получают другую выборку входной формы сигнала и обработку продолжают при проведении операции 125. Если при проведении операции 149 число периодов в счетчике, работающем на вычитание, равно нулю, то тогда при проведении операции 153 определяют синфазную физическую величину и квадратурную физическую величину. Синфазная физическая величина равна значению в синфазном накапливающем сумматоре, поделенному на число выборок, а квадратурная физическая величина равна значению в квадратурном накапливающем сумматоре, поделенному на число выборок.

Полученные усредненные синфазная и квадратурная физические величины пропорциональны синфазной и квадратурной составляющим идеального частотного сигнала внутри входной формы сигнала (колебания). При проведении операции 161 определяют усредненные значения синфазной и квадратурной физических величин, извлекая квадратный корень из суммы квадратов синфазной и квадратурной физических величин. Полученное значение эквивалентно произведению RMS-значения сигнала идеальной частоты внутри входной формы сигнала (колебания) и RMS-значения любой из идеальных форм сигнала. (Принимают, что RMS-значения обоих из идеальных форм сигнала одинаковы. Обычно пиковое значение идеальной формы сигнала равно единице, что дает RMS-значение, равное (1/V2).) Таким образом, при делении результирующей величины на RMS-значение одной из идеальных форм сигнала определяют величину сигнала идеальной частоты внутри входной формы сигнала (колебания).

При проведении операции 165 производят определение угла сигнала идеальной частоты внутри входной формы сигнала (колебания) по отношению к идеальным входным сигналам за счет использования синфазной и квадратурной составляющих.

Результирующий фазовый угол определяют в соответствии со следующими данными:

Несмотря на то что синфазная и квадратурная составляющие представляют собой функцию RMS-значений двух идеальных форм сигнала, RMS-значения двух идеальных форм сигнала не следует удалять при определении величины. Так как они имеют идентичные значения как для синфазной, так и для квадратурной составляющей, причем функцию арктангенс берут от частного синфазного и квадратурного значений, то RMS-значения от двух идеальных форм сигнала сводятся на нет (взаимно уничтожаются).

При определении фазового угла между напряжениями основной частоты сети подсчет выборок является менее сложным, однако применение ДПФ для такого случая позволяет использовать общую функцию для решения множества различных задач. Кроме обнаружения номинальных фазовых углов, это функционально позволяет производить обнаружение значений индивидуальных гармоник более высоких частот. Наличие такой функциональности в дополнение к способности вычисления RMS-значений позволяет производить расчет полных значений нелинейных искажений.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет производить корректировку для измерений частоты с переменными параметрами, изменения которой вызваны изменениями частоты напряжения сети питания за счет определения частоты напряжения сети питания ранее измерения частоты с переменными параметрами. Кроме того, корректировку производят путем изменения идеальной частоты двух идеальных форм колебаний с использованием синфазного и квадратурного измерений.

Более того, текущую частоту напряжения сети питания определяют либо за счет измерения частоты непосредственно перед проведением измерения, либо при проведении повторных измерений с использованием последнего обнаруженного значения в качестве текущей частоты напряжения сети питания.

Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ компенсации изменения частоты при измерении зависящих от частоты электрических параметров, включающий в себя следующие операции: измерение частоты электроэнергии; выбор опорной формы колебания, имеющей переход через нулевой уровень в положительном направлении; синхронизация двух идеальных форм колебаний с указанной опорной формой колебания, причем каждая из указанных двух идеальных форм колебаний имеет идеальную частоту; получение формы колебания входного сигнала; определение значения сигнала указанной идеальной частоты внутри указанной формы колебания входного сигнала, причем указанные две идеальные формы колебаний являются функцией указанной частоты и сдвинуты по фазе друг относительно друга ориентировочно на 90°, при этом одна идеальная форма колебания отображает синфазную составляющую, а другая идеальная форма колебания отображает квадратурную составляющую.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция измерения частоты электроэнергии включает в себя операции определения временного интервала между множеством выборок формы сигнала и подсчета числа выборок между множеством переходов через нулевой уровень указанной формой сигнала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения угла указанного сигнала идеальной частоты, имеющегося внутри указанной формы колебания входного сигнала, относительно указанной опорной формы колебания.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя следующие операции: умножение указанной формы колебания входного сигнала на указанную синфазную идеальную форму колебания для получения синфазного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания, по меньшей мере для одного периода сети питания; добавление указанного синфазного произведения для каждой выборки к содержимому синфазного накапливающего сумматора для получения синфазного суммирующего значения; умножение указанной формы колебания входного сигнала на указанную квадратную идеальную форму колебания для получения квадратурного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания для множества периодов сети питания; добавление указанного квадратурного произведения для каждой выборки к содержимому квадратурного накапливающего сумматора для получения квадратурного суммирующего значения.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию подсчета количества выборок на указанном множестве периодов сети питания для определения числа выборок, причем указанная синфазная физическая величина равна указанному синфазному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок, а указанная квадратурная физическая величина равна указанному квадратурному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что значение и угол указанного сигнала идеальной частоты, имеющегося внутри указанной формы колебания входного сигнала, зависят от указанных синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения значения указанного сигнала идеальной частоты путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов указанных синфазной и квадратурной физических величин, умноженной на масштабирующий коэффициент, который является функцией RMS значения одной из идеальных форм колебания.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что операция определения указанного угла представляет собой определение указанного угла в соответствии с таблицей:

10. Система компенсации изменения частоты при измерении зависящих от частоты электрических параметров, включающая в себя следующие средства: средства измерения частоты электроэнергии; средства выбора опорной формы колебания, имеющей переход через нулевой уровень в положительном направлении; средства синхронизации двух идеальных форм колебаний с указанной опорной формой колебания, причем каждая из указанных двух идеальных форм колебаний имеет идеальную частоту; средства получения формы колебания входного сигнала; средства определения значения сигнала указанной идеальной частоты внутри указанной формы колебания входного сигнала, причем указанные две идеальные формы колебаний являются функцией указанной частоты и сдвинуты по фазе друг относительно друга ориентировочно на 90°, при этом одна идеальная форма колебания отображает синфазную составляющую, а другая идеальная форма колебания отображает квадратурную составляющую.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что указанные средства измерения частоты электроэнергии включают в себя средства для определения временного интервала между множеством выборок формы сигнала и подсчета числа выборок между множеством переходов через нулевой уровень указанной формой сигнала.

12. Система по п.10, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства определения угла указанного сигнала идеальной частоты, имеющего внутри указанной формы колебания входного сигнала, относительно указанной опорной формы колебаний.

13. Система по п.10, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства для умножения указанной формы колебания входного сигнала на указанную синфазную идеальную форму колебания для получения синфазного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания, по меньшей мере для одного периода сети питания; средства для добавления указанного синфазного произведения для каждой выборки к содержимому синфазного накапливающего сумматора, для получения синфазного суммирующего значения; средства для умножения указанной формы колебания входного сигнала на указанную квадратурную идеальную форму колебания для получения квадратурного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания для множества периодов сети питания; средства для добавления указанного квадратурного произведения для каждой выборки к содержимому квадратурного накапливающего сумматора для получения квадратурного суммирующего значения.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства определения синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства для подсчета количества выборок на указанном множестве периодов сети питания для определения числа выборок, причем указанная синфазная физическая величина равна указанному синфазному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок, а указанная квадратурная физическая величина равна указанному квадратурному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок.

16. Система по п.14, отличающаяся тем, что значение и угол указанного сигнала идеальной частоты, имеющего внутри указанной формы колебания входного сигнала, зависят от указанных синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства для определения указанного значения сигнала идеальной частоты путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов указанных синфазной и квадратурной физических величин, умноженной на масштабирующий коэффициент, который является функцией RMS значения одной из идеальных форм колебания.

18. Система по п.16, отличающаяся тем, что средства для определения указанного угла представляют собой средства для определения указанного угла в соответствии с таблицей:

19. Запоминающее устройство для хранения программного обеспечения для компенсации изменений частоты при измерении зависящих от частоты электрических параметров, при этом указанное программное обеспечение осуществляет следующие операции: измерение частоты электроэнергии; выбор опорной формы колебания, имеющей переход через нулевой уровень в положительном направлении; синхронизация двух идеальных форм колебаний с указанной опорной формой колебания, причем каждая из указанных двух идеальных форм колебаний имеет идеальную частоту; получение формы колебания входного сигнала; определение значения сигнала указанной идеальной частоты внутри указанной формы колебания входного сигнала, причем указанные две идеальные формы колебаний являются функцией указанной частоты и сдвинуты по фазе друг относительно друга ориентировочно на 90°, при этом одна идеальная форма колебания отображает синфазную составляющую, а другая идеальная форма колебания отображает квадратурную составляющую.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение дополнительно осуществляет операции определения временного интервала между множеством выборок формы сигнала и подсчета числа выборок между множеством переходов через нулевой уровень указанной формой сигнала.

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение дополнительно осуществляет операцию определения угла указанного сигнала идеальной частоты, имеющегося внутри указанной формы колебания входного сигнала, относительно указанной опорной формы колебания.

22. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение дополнительно осуществляет следующие операции: умножение указанной формы колебания входного сигнала на указанную синфазную идеальную форму колебания для получения синфазного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания, по меньшей мере для одного периода сети питания; добавление указанного синфазного произведения для каждой выборки к содержимому синфазного накапливающего сумматора для получения синфазного суммирующего значения; умножение указанной формы колебания входного сигнала на указанную квадратурную идеальную форму колебания для получения квадратурного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания для множества периодов сети питания; добавление указанного квадратурного произведения для каждой выборки к содержимому квадратурного накапливающего сумматора для получения квадратурного суммирующего значения.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение дополнительно осуществляет операцию определения синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение дополнительно осуществляет операцию подсчета количества выборок на указанном множестве периодов сети питания для определения числа выборок, причем указанная синфазная физическая величина равна указанному синфазному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок, а указанная квадратурная физическая величина равна указанному квадратурному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок.

25. Устройство по п.23, отличающееся тем, что значение и угол указанного сигнала идеальной частоты, имеющегося внутри указанной формы колебания входного сигнала, зависят от указанных синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение дополнительно осуществляет операцию определения указанного значения сигнала идеальной частоты путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов указанных синфазной и квадратурной физических величин, умноженной на масштабирующий коэффициент, который является функцией RMS значения одной из идеальных форм колебаний.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанное программное обеспечение производит определение указанного угла в соответствии с таблицей:

28. Способ компенсации изменения частоты при измерении зависящих от частоты электрических параметров, включающий в себя следующие операции: выбор опорной формы колебания, имеющей переход через нулевой уровень в положительном направлении; синхронизация двух идеальных форм колебаний с указанной опорной формой колебания, причем каждая из указанных двух идеальных форм колебаний имеет идеальную частоту; получение формы колебания входного сигнала; определение значения сигнала указанной идеальной частоты внутри указанной формы колебания входного сигнала, причем указанные две идеальные формы колебаний сдвинуты по фазе относительно друг друга ориентировочно на 90°, при этом одна идеальная форма колебания отображает синфазную составляющую, а другая идеальная форма колебания отображает квадратурную составляющую.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения угла указанного сигнала идеальной частоты, имеющего внутри указанной формы колебания входного сигнала, относительно указанной опорной формы колебания.

30. Способ по п.28, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя следующие операции: умножение указанной формы колебания входного сигнала на указанную синфазную идеальную форму колебания для получения синфазного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания, по меньшей мере для одного периода сети питания; добавление указанного синфазного произведения для каждой выборки к содержимому синфазного накапливающего сумматора для получения синфазного суммирующего значения; умножение указанной формы колебания входного сигнала на указанную квадратурную идеальную форму колебания для получения квадратурного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания для множества периодов сети питания; добавление указанного квадратурного произведения для каждой выборки к содержимому квадратурного накапливающего сумматора для получения квадратурного суммирующего значения.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию подсчета количества выборок на указанном множестве периодов сети питания для определения числа выборок, причем указанная синфазная физическая величина равна указанному синфазному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок, а указанная квадратурная физическая величина равна указанному квадратурному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок.

33. Способ по п.31, отличающийся тем, что значение и угол указанного сигнала идеальной частоты, имеющегося внутри указанной формы колебания входного сигнала, зависят от указанных синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения значения указанного сигнала идеальной частоты путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов указанных синфазной и квадратурной физических величин, умноженной на масштабирующий коэффициент, который является функцией RMS значения одной из идеальных форм колебания.

35. Способ по п.33, отличающийся тем, что операция определения указанного угла представляет собой определение указанного угла в соответствии с таблицей:

36. Система компенсации изменений частоты при измерении зависящих от частоты электрических параметров, включающая в себя следующие средства: средства выбора опорной формы колебания, имеющей переход через нулевой уровень в положительном направлении; средства синхронизации двух идеальных форм колебаний с указанной опорной формой колебания, причем каждая из указанных двух идеальных форм колебаний имеет идеальную частоту; средства получения формы колебания входного сигнала; средства определения значения сигнала указанной идеальной частоты внутри указанной формы колебания входного сигнала, причем указанные две идеальные формы колебаний сдвинуты по фазе друг относительно друга ориентировочно на 90°, при этом одна идеальная форма колебания отображает синфазную составляющую, а другая идеальная форма колебания отображает квадратурную составляющую.

37. Система по п.36, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства определения угла указанного сигнала идеальной частоты, имеющего внутри указанной формы колебания входного сигнала, относительно указанной опорной формы колебания.

38. Система по п.36, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя следующие средства: средства для умножения указанной формы колебания входного сигнала на указанную синфазную идеальную форму колебания для получения синфазного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания, по меньшей мере для одного периода сети питания; средства для добавления указанного синфазного произведения для каждой выборки к содержимому синфазного накапливающего сумматора для получения синфазного суммирующего значения; средства для умножения указанной формы колебания входного сигнала на указанную квадратурную идеальную форму колебания для получения квадратурного произведения для каждой выборки из множества выборок в периоде сети питания для множества периодов сети питания; средства для добавления указанного квадратурного произведения для каждой выборки к содержимому квадратурного накапливающего сумматора для получения квадратурного суммирующего значения.

39. Система по п.38, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства определения синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

40. Система по п.39, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства для подсчета количества выборок на указанном множестве периодов сети питания для определения числа выборок, причем указанная синфазная физическая величина равна указанному синфазному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок, а указанная квадратурная физическая величина равна указанному квадратурному суммирующему значению, поделенному на указанное число выборок.

41. Система по п.39, отличающаяся тем, что значение и угол указанного сигнала идеальной частоты, имеющегося внутри указанной формы колебания входного сигнала, зависят от указанных синфазной физической величины и квадратурной физической величины.

42. Система по п.41, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средства для определения указанного значения сигнала идеальной частоты путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов указанных синфазной и квадратурной физических величин, умноженной на масштабирующий коэффициент, который является функцией RMS значения одной из идеальных форм колебания.

43. Система по п.41, отличающаяся тем, что средства для определения указанного угла представляют собой средства для определения указанного угла в соответствии с таблицей:

РИСУНКИ