PL224211B1

PL224211B1 - Method for measuring the power and electricity in power networks

Info

Publication number: PL224211B1
Application number: PL401096A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Wierzbicki; Janusz Dudzik; Piotr Modzel; Michał Ryszard Wójcik; Tomasz Kolanko; Jerzy Kolanko
Original assignee: Inst Komputerowych Systemów Automatyki I Pomiarów Spółka Z Ograniczoną; Politechnika Wroclawska
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2016-11-30
Also published as: PL401096A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru mocy i energii elektrycznej w sieciach energetycznych, przeznaczony do stosowania w metrologii, zwłaszcza do rozliczeń finansowych za dostarczoną moc i energię elektryczną.The subject of the invention is a method of measuring power and electricity in power networks, intended for use in metrology, especially for financial settlements for the supplied power and electricity.

Z polskiego opisu patentowego nr 204730, znany jest sposób cyfrowej metody pomiaru mocy biernej Budeanu prądu niesinusoidalnego, który polega na wyznaczeniu iloczynu skalarnego odpowiednio zmodyfikowanych przebiegów napięcia i prądu.From the Polish patent description No. 204730, there is known a digital method of measuring the Budeanu reactive power of non-sinusoidal current, which consists in determining the scalar product of appropriately modified voltage and current waveforms.

Sposób pomiaru mocy elektrycznej czynnej znany z polskiego opisu patentowego nr 165537, polega na tym, że stosuje się w nim mnożnik analogowy, dla którego wcześniej wyznacza się powierzchnię błędu. Sygnały proporcjonalne do wartości chwilowych napięcia i prądu będących składowymi mierzonej mocy mnoży się analogowo i jednocześnie próbkuje, a spróbkowane sygnały przetwarza się na sygnał cyfrowy. Dla każdej pary próbek określa się wartość błędu mnożenia. Sygnał będący efektem mnożenia filtruje się, wzmacnia i również przetwarza na sygnał cyfrowy. W sposobie dokonuje się adaptacji i autokalibracji układu. W wyniku ostatecznym pomiaru mocy elektrycznej czynnej uwzględnia się adaptację, autokalibrację oraz błąd średni z par próbek.The method of measuring active electric power, known from the Polish patent specification No. 165,537, consists in the fact that an analog multiplier is used, for which the error area is previously determined. Signals proportional to the instantaneous values of voltage and current that are components of the measured power are analog multiplied and simultaneously sampled, and the sampled signals are converted into a digital signal. The multiplication error value is determined for each pair of samples. The signal resulting from the multiplication is filtered, amplified and also converted into a digital signal. The method is used to adapt and auto-calibrate the system. As a result of the final measurement of active electric power, the adaptation, auto-calibration and the average error of sample pairs are taken into account.

Sposób próbkowania napięć i prądów przy pomiarze energii elektrycznej znany z polskiego opisu patentowego nr 163864, polega na tym, że wartości prądów i napięć próbkuje się asynchronicznie do częstotliwości sieci w okresie próbkowania większym od okresu sieci. Kolejne wartości kąta elektrycznego, przy którym pobiera się próbki, sprowadzone do przedziału 0-π radianów rozmieszcza się w tym przedziale z równomiernością proporcjonalną do liczby próbkowanych wartości napięć i prądów.The method of sampling voltages and currents when measuring electricity, known from the Polish patent description No. 163864, consists in the fact that the values of currents and voltages are sampled asynchronously to the frequency of the network during the sampling period greater than the period of the network. Successive values of the electric angle at which the samples are taken, reduced to the 0-π radian range, are distributed over this range with uniformity proportional to the number of sampled voltages and currents.

Znany z japońskiego opisu patentowego nr JP63290973, elektroniczny miernik mocy biernej, charakteryzuje się tym, że wpływ częstotliwości bez obniżania poziomu sygnału, został wyeliminowany poprzez zastosowanie sprzężenia zwrotnego i uzyskanie sygnału proporcjonalnego do częstotliwości napięcia obciążenia i jego zmian.An electronic reactive power meter known from Japanese Patent No. JP63290973 is characterized in that the influence of frequency without reducing the signal level is eliminated by applying feedback and obtaining a signal proportional to the frequency of the load voltage and its changes.

Sposób pomiaru mocy na podstawie cyfrowego filtrowania znany z chińskiego opisu patentowego nr CN1375702, polega na tym, że analogowy sygnał napięcia i analogowy sygnał prądowy mierzonej sieci elektrycznej, przetwarza się w przetworniku analogowo-cyfrowym w celu uzyskania dyskretnego sygnału cyfrowego napięciowego i dyskretnego sygnału cyfrowego prądowego, po czym cyfrowym przesuwnikiem fazowym zmienia się przesuniecie fazowe cyfrowego sygnału napięciowego względem cyfrowego sygnału prądowego, a otrzymane sygnały mnoży się w celu uzyskania chwilowej wartości mocy.The method of measuring power on the basis of digital filtering known from the Chinese patent specification No. CN1375702, consists in the fact that the analog voltage signal and the analog current signal of the measured electric network are processed in an analog-to-digital converter to obtain a discrete digital voltage signal and a discrete digital current signal. then the digital phase shifter changes the phase shift of the digital voltage signal with respect to the digital current signal, and the signals obtained are multiplied to obtain an instantaneous power value.

Elektroniczny miernik mocy znany z japońskiego opisu patentowego nr JP2000329804, zawiera pierwszy przetwornik analogowo-cyfrowy do konwersji próbkowanego sieciowego napięcia i prądu do postaci cyfrowej oraz drugi przetwornik analogowo-cyfrowy do konwersji próbkowanego sieciowego napięcia i prądu do postaci cyfrowej, po czym cyfrowe sygnały czasowe porównuje się w układzie różnicowym, i mnoży, w wyniku czego otrzymuje się chwilowe wartości mocy biernej.The electronic power meter known from the Japanese patent description JP2000329804, includes a first analog-to-digital converter for converting sampled mains voltage and current to digital form and a second analog-to-digital converter for converting sampled mains voltage and current to digital form, and then the digital time signals are compared in the differential system, and multiplies, which gives instantaneous values of reactive power.

Znany jest sposób pomiaru mocy czynnej, w którym wartości sygnałów proporcjonalnych do napięcia i prądu będącymi składowymi mocy mnoży się przez siebie w sposób ciągły w mnożniku analogowym. Otrzymany sygnał wyjściowy z mnożnika analogowego poddaje się filtracji i otrzymuje się sygnał mocy czynnej. Znany jest również sposób pomiaru mocy czynnej, w którym sygnały proporcjonalne do napięcia i prądu poddaje się próbkowaniu, a próbki z kolei przetwarza się na wartości cyfrowe a następnie mnoży się je przez siebie i sumuje by uzyskać wartość mocy czynnej chwilowej a dalej sumując otrzymuje się moc czynną średnią. Ponadto pierwszy sposób z uwagi na małe dokładności został uzupełniony o tzw. powierzchnię błędu mnożnika a drugi sposób wymaga stosowania przetworników analogowo-cyfrowych o dużej dokładności przetwarzania i został zrealizowany w układzie scalonym AD 7755.There is known a method of measuring active power in which the values of signals proportional to the voltage and current being the power components are continuously multiplied with each other in an analog multiplier. The obtained output signal from the analog multiplier is filtered and the active power signal is obtained. There is also a known method of measuring active power, in which the signals proportional to the voltage and current are subjected to sampling, and the samples are in turn converted into digital values and then multiplied by each other and summed to obtain the value of the instantaneous active power, and then summing up the power is obtained active average. Moreover, the first method has been supplemented with the so-called the error area of the multiplier and the second method requires the use of analog-to-digital converters with high processing accuracy and was implemented in the AD 7755 integrated circuit.

Sposób pomiaru mocy elektrycznej biernej elektrycznej znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr 386165, polega na tym, że sygnał w postaci iloczynu napięcia i prądu ui(t)ii(t) prostuje się w układzie prostownika jednopołówkowego, w wyniku czego otrzymuje się sygnał proporcjonalny do wartości chwilowej mocy biernej qi, który filtruje się i uśrednia w filtrze, przy czym uśredniona wartość sygnału jest wartością mocy biernej Q. W wariancie rozwiązania sposób, polega również na tym, że na wartościach cyfrowych iloczynów napięcia i prądu ui(t)ii(t) w układzie mikroprocesorowym, wykonuje się operacje arytmetyczne na zbiorze cyfrowym {ui, ii} według wzoru Qi = 0,5(ui * ii - |ui * ii|) i uzyskuje się wartości chwilowe mocy biernej qi, które następnie sumuje się, a otrzymana suma jest wartością mierzonej mocy bierną Q.The method of measuring reactive electric power, known from the Polish patent application No. 386165, consists in the fact that the signal in the form of the product of voltage and current ui (t) i (t) is rectified in a half-wave rectifier system, resulting in a signal proportional to the value of instantaneous reactive power qi, which is filtered and averaged in the filter, the mean value of the signal being the value of the reactive power Q. In the solution variant, the method also consists in the fact that the digital values of the products of voltage and current ui (t) ii (t) in the microprocessor system, arithmetic operations are performed on the digital set {ui, ii} according to the formula Qi = 0.5 (ui * ii - | ui * ii |) and the instantaneous values of reactive power qi are obtained, which are then added up and the obtained the sum is the value of the measured reactive power Q.

PL 224 211 B1PL 224 211 B1

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że mierzy się oddzielnie chwilowe wartości mocy i energii elektrycznej, przy czym moc i energię elektryczną mierzy się jako wejściową gdy iloczyn wartości chwilowych prądu i napięcia jest dodatni, natomiast energię elektryczną mierzy się jako powrotną gdy iloczyn chwilowych wartości prądu i napięcia jest ujemny, po czym sumuje się bezwzględne wartości mocy i energii wejściowej oraz powrotnej, których sumy są równe dostarczonej mocy i energii.The essence of the method according to the invention consists in the fact that the instantaneous values of power and electric energy are measured separately, the power and electric energy are measured as input when the product of the instantaneous values of current and voltage is positive, and the electric energy is measured as the return value when the product instantaneous current and voltage values is negative, after which the absolute values of the input and return power and energy are summed up, the sums of which are equal to the supplied power and energy.

Korzystnym jest, gdy sumuje się bezwzględne wartości mocy i energii wejściowej oraz powrotnej, przy czym dostarczoną moc i dostarczoną energię, które są odpowiednio sumą mocy czynnej, energii czynnej oraz podwójnej wartości powrotnej mocy i powrotnej energii.It is preferable that the absolute values of the input and recovery power and energy are summed up, the delivered power and the supplied energy being the sum of the active power, active energy and twice the value of the recovery power and energy return, respectively.

Sposób pomiaru mocy i energii elektrycznej w sieciach energetycznych pozwala na prawidłowe rozliczenie mocy dostarczonej i odebranej przez użytkownika niezależnie od kształtu sygnału prądu i napięcia oraz jego stacjonarności lub niestacjonarności.The method of measuring power and electricity in power networks allows for the correct settlement of the power supplied and received by the user, regardless of the shape of the current and voltage signal and its stationarity or non-stationarity.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania i na rysunku, który przedstawia schemat blokowy sposób pomiaru mocy i energii elektrycznej w sieciach energetycznych.The subject matter of the invention is explained in an embodiment and in a drawing which shows a block diagram of the method of measuring power and electricity in power networks.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sposób pomiaru mocy i energii elektrycznej w sieciach energetycznych, w którym mierzy się chwilowe wartości napięcia i prądu proporcjonalne do mierzonych wartości napięcia i prądu, po czym mnoży się zmierzone chwilowe wartości napięcia i prądu, polega na tym, że mierzy się oddzielnie chwilowe wartości mocy i energii elektrycznej, przy czym moc i energię elektryczną mierzy się jako wejściową gdy iloczyn wartości chwilowych prądu i napięcia jest dodatni Pv, Ev, natomiast energię elektryczną mierzy się jako powrotną gdy iloczyn chwilowych wartości prądu i napięcia jest ujemny P R, ER, po czym sumuje się bezwzględne wartości mocy i energii wejściowej oraz powrotnej, których sumy są równe dostarczonej mocy i energii PD, ED. Mierzone moce i energie powiązane są ze sobą poniższymi wzorami:The method of measuring power and electricity in power networks, in which the instantaneous values of voltage and current are measured proportional to the measured voltage and current values, and then the measured instantaneous values of voltage and current are multiplied, consists in measuring the instantaneous values of power and electric energy, where the power and electric energy are measured as input when the product of instantaneous current and voltage values is positive Pv, Ev, while electric energy is measured as the return value when the product of instantaneous current and voltage values is negative PR, ER, and then sum absolute values of input and return power and energy, the sums of which are equal to the supplied power and energy PD, ED. The measured powers and energies are related to each other by the following formulas:

PD = Pv + PR i ED = Ev + ERPD = Pv + PR and ED = Ev + ER

Wartości mocy i równanie sumy PD = Pv + PR są zgodne dla wszystkich kształtów sygnałów, zniekształceń, zakłóceń i niestacjonarności sygnałów prądowego i napięciowego. Powoduje to zaniechanie obliczeń mocy z tzw. trójkąta mocy, który jest niewystarczającym modelem w przypadku przebiegów innych niż sinusoidalne.The power values and the equation of the sum PD = Pv + PR are consistent for all signal shapes, distortions, disturbances and non-stationarity of current and voltage signals. This results in abandoning the power calculations from the so-called power triangle, which is an insufficient model for non-sinusoidal waveforms.

Pomiar mocy dostarczonej PD z sumy wejściowej Pv i mocy powrotnej P R jest rozwiązanie problemu trójkąta mocy dla sygnałów zniekształconych, odbiegających od sinusoidalnych poprzez oddzielne całkowanie w czasie mocy wejściowej Pv i oddzielne całkowanie mocy powrotnej PR a następnie sumowanie mocy i energii jako mocy dostarczonej PD i energii ED, która zamyka bilans w węźle pomiarowym niezależnie od kształtu sygnału zwłaszcza prądowego.Measurement of the supplied power PD from the sum of the input Pv and the return power PR is a solution to the problem of the power triangle for distorted signals deviating from sinusoidal by separate time integration of the input power Pv and separate integration of the return power PR, and then summing the power and energy as supplied power PD and energy ED, which closes the balance in the measuring node regardless of the shape of the signal, especially the current one.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób pomiaru mocy i energii elektrycznej w sieciach energetycznych, przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że mierzy się moc czynną, przy czym sumuje się bezwzględne wartości mocy i energii wejściowej oraz powrotnej, przy czym dostarczoną moc PD i dostarczoną energię ED, które są odpowiednio sumą mocy czynnej P, energii czynnej E oraz podwójnej wartości powrotnej mocy 2Pr i powrotnej energii 2Er. Mierzone moce i energie powiązane są ze sobą poniższymi wzorami:The method of measuring power and electricity in power networks is as in the first example, with the difference that the active power is measured, the absolute values of the input and return power and energy are summed up, the supplied PD power and the supplied ED energy, which are respectively, the sum of the active power P, the active energy E and the double value of the return power 2Pr and the return energy 2Er. The measured powers and energies are related to each other by the following formulas:

PD = P + 2PR, ED = E + 2ERPD = P + 2PR, ED = E + 2ER

Claims

1. Method of measuring power and electricity in power networks consisting in measuring the instantaneous values of voltage and current proportional to the measured values of voltage and current, and then multiplying the measured instantaneous values of voltage and current, characterized in that the instantaneous values are measured separately values of power and electric energy, where the power and electric energy are measured as input when the product of the instantaneous current and voltage values is positive (Pv, Ev), while the electric energy is measured as the return value when the product of the instantaneous current and voltage values is negative (PR, ER), and then the absolute values of the input and return power and energy are summed up, the sums of which are equal to the supplied power and energy (PD, ED).

PL 224 211 B1

2. The method according to p. A method according to claim 1, characterized in that the absolute values of the input and return power and energy are summed, the delivered power (PD) and the delivered energy (ED) being the sum of the active power (P), active energy (E) and double the return value, respectively. power (2Pr) and return energy (2Er).