PL232462B1

PL232462B1 - Method for measuring active, wattless and apparent power consumed by two-terminal network powered by sinusoidal alternating voltage and the system for measuring active, wattless and apparent power consumed by two-terminal network powered by sinusoidal alternating voltage

Info

Publication number: PL232462B1
Application number: PL412674A
Authority: PL
Inventors: Przemysław Krzyk
Original assignee: Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kosciuszki
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2019-06-28
Also published as: PL412674A1

Abstract

W sposobie mierzy się czterokrotnie wartość chwilową napięcia na dwójniku w równych odstępach czasu Ts, które są mniejsze od 1/2 okresu T napięcia oraz mierzy się czterokrotnie wartość chwilową natężenia prądu płynącego przez dwójnik w tych samych równych odstępach czasu Ts. Kolejność wykonania czterech pomiarów wartości chwilowej napięcia na dwójniku względem czterech pomiarów wartości chwilowej natężenia prądu płynącego przez dwójnik jest dowolna przy zachowaniu warunku, że pierwszy pomiar wartości chwilowej napięcia na dwójniku i pierwszy pomiar wartości chwilowej natężenia prądu płynącego przez dwójnik realizuje się w odstępie czasu Tp równym 1/2 odstępu czasowego Ts pomiarów wartości chwilowych prądu i napięcia, czyli Tp=1/2Ts. Na podstawie otrzymanych z pomiarów wyników oblicza się parametr pomocniczy θ, a następnie oblicza się moc czynną, bierną i pozorną pobieraną przez dwójnik zasilany prądem sinusoidalnie zmiennym. Układ zawiera multiplekser analogowy przełączający naprzemiennie na wejście przetwornika analogowo cyfrowego sygnały napięciowe o wartościach proporcjonalnych do prądu dwójnika i napięcia na dwójniku, przy czym układ wykonuje naprzemiennie po jednym pomiarze wartości chwilowej prądu napięcia. Wynik pomiaru z przetwornika analogowo cyfrowego przesyłany jest do kolejki połączonych szeregowo ośmiu buforów jednostek pamięci, zachowujących wyniki ostatnich ośmiu pomiarów, które połączone są z układem obliczania parametrów, który oblicza wartość parametru pomocniczego θ, a następnie oblicza wartości mocy czynnej biernej i pozornej po zmierzeniu pierwszych czterech wartości chwilowych prądu i czterech wartości chwilowych napięcia, oraz po zmierzeniu każdej kolejnej wartości chwilowej prądu lub napięcia.In the method, the instantaneous value of the voltage on the double-circuit is measured four times at equal time intervals Ts, which are smaller than 1/2 of the period T of the voltage, and the instantaneous value of the current flowing through the double-circuit is measured four times at the same equal time intervals Ts. The order in which the four measurements of the instantaneous value of the voltage on the two-way switch are made in relation to the four measurements of the instantaneous value of the current flowing through the two-switch is arbitrary, provided that the first measurement of the instantaneous value of the voltage on the two-switch and the first measurement of the instantaneous value of the current flowing through the two-switch are made at an interval of time Tp equal to 1/2 of the time interval Ts of measurements of instantaneous values of current and voltage, i.e. Tp=1/2Ts. Based on the results obtained from the measurements, the auxiliary parameter θ is calculated, and then the active, reactive and apparent power consumed by the dual circuit powered by sinusoidal alternating current are calculated. The system contains an analog multiplexer that alternately switches voltage signals with values proportional to the two-way current and two-way voltage to the input of the analog-to-digital converter, and the system alternately performs one measurement of the instantaneous value of the voltage current. The measurement result from the analog-to-digital converter is sent to a queue of eight serially connected buffers of memory units, storing the results of the last eight measurements, which are connected to a parameter calculation system that calculates the value of the auxiliary parameter θ and then calculates the values of active reactive and apparent power after measuring the first ones. four instantaneous values of current and four instantaneous values of voltage, and after measuring each subsequent instantaneous value of current or voltage.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru mocy czynnej, biernej i pozornej pobieranej przez dwójnik zasilany prądem sinusoidalnie zmiennym, znajdujący zastosowanie przy badaniu właściwości fizycznych elementów obwodów elektrycznych oraz właściwości elektrycznych obwodów prądu sinusoidalnie zmiennego; znajdujący również zastosowanie przy badaniu systemów energetycznych.The subject of the invention is a system for measuring active, reactive and apparent power consumed by a bi-terminal supplied with a sinusoidal alternating current, applicable in the study of physical properties of electrical circuit elements and electrical properties of sinusoidal alternating current circuits; also used in the study of energy systems.

Znane są układy wyznaczania mocy pobieranej przez dwójnik oparte na pomiarze napięcia na dwójniku oraz prądu płynącego przez dwójnik i następnie wyznaczaniu mocy według wzorów bazujących na iloczynie prądu i napięcia. Najczęściej stosowane są rozwiązania oparte na próbkowaniu okresowym, w którym próbki są zbierane w równych odstępach czasowych, które dzielą się na dwie podstawowe grupy.There are known systems for determining the power consumed by the two-terminal, based on the measurement of the voltage at the two-terminal and the current flowing through the two-terminal, and then determining the power according to formulas based on the product of current and voltage. The most commonly used solutions are based on periodic sampling, in which samples are collected at equal time intervals, which are divided into two basic groups.

Do pierwszej grupy należą rozwiązania bazujące na próbkowaniu synchronicznym, do których należą między innymi rozwiązania zamieszczone w polskich zgłoszeniach patentowych PL334504, PL399821. Rozwiązania te charakteryzują się wyeliminowaniem zjawiska przecieku okna, które wpływa na wzrost błędu pomiaru. Dodatkową zaletą niektórych rozwiązań (np. PL399821) jest prostota wykonywanych obliczeń i brak konieczność zbierania próbek z całego okresu sygnału. Wadą tychże rozwiązań jest koniecznością stosowania układów synchronizacji najczęściej w oparciu o układy PLL, co powoduje rozbudowę i wzrost kosztów części sprzętowej urządzenia.The first group includes solutions based on synchronous sampling, which include, among others, the solutions included in Polish patent applications PL334504, PL399821. These solutions are characterized by the elimination of the window leakage phenomenon, which increases the measurement error. An additional advantage of some solutions (eg PL399821) is the simplicity of calculations and no need to collect samples from the entire signal period. The disadvantage of these solutions is the necessity to use synchronization systems, most often based on PLL systems, which results in the expansion and increase in costs of the hardware part of the device.

Drugą grupę stanowią rozwiązania bazujące na próbkowaniu okresowym (w równych odstępach czasowych), lecz nie koniecznie próbkowaniu synchronicznym z badanym sygnałem, jak np. w amerykańskim opisie patentowym US5151866A, w którym wykorzystywane jest całkowanie numeryczne i detekcja przejść przez 0.The second group consists of solutions based on periodic sampling (at equal time intervals), but not necessarily synchronous sampling with the signal under test, as e.g. in the US patent US5151866A, which uses numerical integration and 0-crossing detection.

Szeroki przegląd rozwiązań z próbkowaniem asynchronicznych przedstawiony jest w monografii Duda K. „Fourierowskie metody estymacji widm prążkowych”, Rozprawy Monografie 226, Wydawnictwa AGH, Kraków 2011 z podziałem na dwie podgrupy.A broad overview of solutions with asynchronous sampling is presented in the monograph by Duda K. "Fourier methods for estimating fringe spectra", Przekrawy Monografie 226, AGH Publishing House, Kraków 2011 divided into two subgroups.

Pierwszą podgrupę stanowią rozwiązania oparte na interpolacji widma sygnału - IpDFT. Polegają one na wyznaczeniu widma sygnału obejmującego przynajmniej jeden okres z wykorzystaniem odpowiednich okien czasowych. Następnie na podstawie otrzymanego widma wykonuje się estymację najwyższego prążka, na podstawie, którego estymuje się wartość częstotliwości i amplitudy zespolonej sygnału. Rozwiązania te charakteryzują się koniecznością zbierania próbek z ponad jednego pełnego okresu, dużą złożonością obliczeniową, błędami związanymi z „przeciekiem okna wynikającymi z asynchronizmu okresu próbkowania i okresu mierzonego napięcia, oraz koniecznością wyznaczania niewymiernych funkcji trygonometrycznych.The first subgroup are solutions based on signal spectrum interpolation - IpDFT. They consist in determining the spectrum of the signal covering at least one period with the use of appropriate time windows. Then, on the basis of the obtained spectrum, the highest fringe is estimated, on the basis of which the value of the frequency and amplitude of the complex signal is estimated. These solutions are characterized by the necessity to collect samples from more than one full period, high computational complexity, errors related to "window leakage due to the asynchronism of the sampling period and the period of the measured voltage, and the need to determine irrational trigonometric functions.

Drugą podgrupę stanowią rozwiązania, które wykorzystują metody parametryczne w oparciu między innymi o filtr Kalmana, a zwłaszcza jego szczególny przypadek, jakim jest filtr adaptacyjny RLS (Recursive Least Squares), czy też w oparciu o programową pętlę fazową PLL (Phase Locked Loop). Według tekstu cytowanej monografii rozwiązania wykorzystujące modele parametryczne posiadają lepszą rozdzielczość częstotliwościową od metod DFT, lecz charakteryzują się jeszcze większą złożonością obliczeniową w stosunku do metod DFT oraz trudnością w doborze modelu.The second subgroup are solutions that use parametric methods based, inter alia, on the Kalman filter, especially its special case, which is the RLS (Recursive Least Squares) adaptive filter, or based on the PLL (Phase Locked Loop) software. According to the text of the quoted monograph, solutions using parametric models have better frequency resolution than DFT methods, but are characterized by even greater computational complexity in relation to DFT methods and difficulty in selecting the model.

Rozwiązania z próbkowaniem niesynchronizowanym charakteryzują się przede wszystkim koniecznością zbierania wielu próbek z ponad jednego pełnego okresu oraz dużą złożonością obliczeniową, co stanowi wadę tychże metod, zwłaszcza w przypadku przenośnych multimetrów bateryjnych. W takich multimetrach bardzo istotne jest wykorzystywanie jak najmniejszej mocy obliczeniowej pozwalającej na obniżenie częstotliwości pracy mikroprocesora, a tym samym i zużywanej energii elektrycznej, co ma znaczący wpływ na koszt pracy i żywotność baterii. Dodatkowo, zbieranie próbek z całego okresu ma także wpływ na czas otrzymywania wyników analiz.Solutions with unsynchronized sampling are characterized primarily by the necessity to collect many samples from more than one full period and high computational complexity, which is a disadvantage of these methods, especially in the case of portable battery multimeters. In such multimeters, it is very important to use as little computing power as possible to reduce the microprocessor operating frequency, and thus the electricity consumed, which has a significant impact on the cost of operation and battery life. In addition, collecting samples from the entire period also affects the time of obtaining the results of the analyzes.

Istotą układu do pomiaru mocy czynnej, biernej i pozornej pobieranej przez dwójnik zasilany prądem sinusoidalnie zmiennym według wynalazku, jest to, że układ ten zawiera parę zacisków wejściowych, do których przyłączone jest źródło napięcia sinusoidalnie zmiennego, w szczególności generator napięcia sinusoidalnie zmiennego, oraz parę zacisków wyjściowych, do których przyłączony jest dwójnik, którego pobór mocy jest mierzony. Pomiędzy parami zacisków przyłączony jest układ przetwarzający prąd dwójnika na sygnał napięciowy o napięciu proporcjonalnym do prądu dwójnika, w szczególności rezystor wzorcowy przyłączony pomiędzy jednym z zacisków wejściowych i jednym z zacisków wyjściowych wraz z wzmacniaczem różnicowym mierzącym napięcie na rezystorze wzorcowym. Natomiast do pary zacisków wyjściowych przyłączony jest układ przetwarzający napięcie na dwójniku na sygnał napięciowy o napięciu proporcjonalnym do napięcia na dwójniku, w szczególności wzmacniaczThe essence of the system for measuring active, reactive and apparent power consumed by a bi-terminal supplied with a sinusoidal alternating current according to the invention, is that the system includes a pair of input terminals to which a source of sinusoidal alternating voltage is connected, in particular a generator of a sinusoidal alternating voltage, and a pair of terminals connected to the two-pole whose power consumption is measured. Connected between the pairs of terminals is a circuit converting the two-terminal current into a voltage signal with a voltage proportional to the two-terminal current, in particular a standard resistor connected between one of the input terminals and one of the output terminals together with a differential amplifier measuring the voltage across the standard resistor. On the other hand, a pair of output terminals is connected to a circuit converting the voltage at the two-terminal to a voltage signal proportional to the voltage at the terminal, in particular the amplifier

PL 232 462 B1 różnicowy. Obydwa wyjściowe sygnały napięciowe pochodzące z układów przetwarzających doprowadzone są do wejść multipleksera przełączającego te sygnały na wejście analogowe przetwornika analogowo cyfrowego, natomiast wyjście przetwornika analogowo cyfrowego jest połączone z buforem jednostki pamięci zawierającym wartość ostatniego pomiaru i stanowiącym jeden z ośmiu buforów połączonych ze sobą szeregowo i zawierających wartości ostatnich ośmiu pomiarów. Wyjścia buforów przyłączone są do wejścia układu obliczania parametrów.PL 232 462 B1 differential. Both output voltage signals from the processing circuits are fed to the inputs of the multiplexer, which switches these signals to the analog input of the analog-to-digital converter, while the output of the analog-to-digital converter is connected to the memory unit buffer containing the value of the last measurement and constituting one of the eight buffers connected in series with each other and containing the values of the last eight measurements. The buffer outputs are connected to the input of the parameter calculation system.

Przełączanie multipleksera, wzbudzanie pomiaru w przetworniku analogowo cyfrowym oraz wzbudzanie obliczeń w układzie obliczania parametrów wykonywane jest przez kontroler toru pomiarowego. Kontroler toru pomiarowego wywołuje czterokrotny pomiar wartości chwilowej prądu i napięcia na dwójniku w równych odstępach czasu Ts, które są mniejsze od % okresu T napięcia, otrzymując odpowiednio wyniki ui = u(ti), U2 = ufe), U3 = u(t-j), U4 = u(t4), gdzie ti, t2, t3, t4 są kolejnymi czasami pomiarów napięcia, oraz ii = i(ts), '2 = i(te), 13 = i(t7), 14 = i(te), gdzie ts, te, t7, te są kolejnymi czasami pomiarów prądu, przy czym kolejność wykonania czterech pomiarów wartości chwilowej napięcia ui, u2 u3, u4 na dwójniku względem czterech pomiarów wartości chwilowej natężenia prądu ii, '2,13,14 płynącego przez dwójnik jest dowolna przy zachowaniu warunku, że pierwszy pomiar wartości chwilowej napięcia na dwójniku ui = u(ti) i pierwszy pomiar wartości chwilowej natężenia prądu płynącego przez dwójnik ii = i(ts) jest realizowany w odstępie czasu Tp równym % Ts. Jeżeli pierwszy wykonywany jest pomiar napięcia to kolejne bufory zawierają wartości xi = ui, Χ2 = ii, Χ3 = u2, Χ4 = '2, xs = u3, xe = 13, Χ7 = u4, xe = 14, zaś jeżeli pierwszy wykonywany jest pomiar prądu, to kolejne bufory zawierają wartości xi = ii, Χ2 = ui, X3 = '2, X4 = u2, xs = i3, X6 = u3, X7 = i4, X8 = u4. Kontroler toru pomiarowego wzbudza układ obliczania parametrów po zmierzeniu pierwszych czterech wartości chwilowych prądu i czterech wartości chwilowych napięcia, oraz po zmierzeniu każdej kolejnej wartości chwilowej prądu lub napięcia.Switching the multiplexer, triggering the measurement in an analog-to-digital converter and triggering calculations in the parameter calculation system is performed by the measuring path controller. The measuring path controller causes four times the measurement of the instantaneous value of current and voltage at the two-terminal at equal time intervals Ts, which are less than% of the voltage period T, obtaining the results ui = u (ti), U2 = ufe), U3 = u (ie), respectively, U4 = u (t4), where ti, t2, t3, t4 are consecutive times of voltage measurements, and ii = i (ts), '2 = i (te), 13 = i (t7), 14 = i (te) , where ts, te, t7, te are successive times of current measurements, the sequence of making four measurements of the instantaneous value of the voltage ui, u2, u3, u4 on the two-terminal in relation to the four measurements of the instantaneous value of the current ii, '2,13,14 flowing through the two-terminal is arbitrary, with the condition that the first measurement of the instantaneous value of the voltage across the two-point terminal ui = u (ti) and the first measurement of the instantaneous value of the current flowing through the two-point terminal ii = i (ts) are performed with the time interval Tp equal to% Ts. If the voltage measurement is performed first, then the subsequent buffers contain the values xi = ui, Χ2 = ii, Χ3 = u2, Χ4 = '2, xs = u3, xe = 13, Χ7 = u4, xe = 14, and if the first measurement is performed current, then the subsequent buffers contain the values xi = ii, Χ2 = ui, X3 = '2, X4 = u2, xs = i3, X6 = u3, X7 = i4, X8 = u4. The track controller activates the parameter calculation system after measuring the first four instantaneous values of current and four instantaneous values of voltage, and after measuring each successive instantaneous value of current or voltage.

Opisaną funkcjonalność kontrolera toru pomiarowego korzystnie realizuje się za pomocą układu, który zawiera generator cyfrowego sygnału zegarowego, którego wyjście jest podłączone do wejścia wzbudzania pomiaru przetwornika analogowo cyfrowego. Układ kontrolera zawiera takie resetowane w momencie rozpoczęcia pomiarów układy bufora resetu o długości 8 oraz dzielnika częstotliwości przez wartość równą 2, których wejścia przyłączone są do wyjścia sygnału cyfrowego z połączonych ze sobą szeregowo ośmiu buforów jednostek pamięci przyłączonych do przetwornika analogowo cyfrowego informującego, że w kolejce buforów została zapisana wartość pomiaru. Wyjście bufora resetu przyłączone jest do układu obliczania parametrów do wejścia sygnału cyfrowego wzbudzającego obliczanie parametrów. Bufor resetu gdy nadejdzie pierwszych siedem sygnałów inicjacyjnych nie przekazuje sygnału wzbudzenia na wyjście, natomiast w przypadku nadejścia ósmego i kolejnych sygnałów inicjacyjnych bufor przekazuje sygnał wzbudzenia do układu obliczania parametrów. Natomiast wyjście dzielnika częstotliwości przyłączone jest do wejścia sygnału cyfrowego układu obliczania parametrów informującego czy w buforach jednostek pamięci przechowujących wartości piątego i siódmego pomiaru zapisane są wartości chwilowe prądu czy napięcia. Jeżeli przetwornik analogowo cyfrowy wysyła cyfrowy sygnał zakończenia przetwarzania natomiast nie wysyła cyfrowego sygnału o zakończeniu próbkowania lub sygnał ten nie jest przesyłany do kontrolera toru pomiarowego to sygnał z dzielnika częstotliwości wysyłany jest także do wejścia sterującego multipleksera, które jest przyłączone do wyjścia dzielnika. Natomiast jeżeli przetwornik analogowo cyfrowy wysyła cyfrowe sygnały zakończenia próbkowania i przetwarzania i są one przesyłane do kontrolera toru pomiarowego to wejście sterujące multipleksera przyłączone jest bezpośrednio do wyjścia drugiego dzielnika częstotliwości przez wartość równą 2 zawartego w kontrolerze toru pomiarowego, który jest resetowany w momencie rozpoczęcia pomiarów i którego wejście przyłączone jest do wyjścia sygnału cyfrowego przetwornika analogowo cyfrowego informującego, że przetwornik zakończył próbkowanie.The described functionality of the measurement path controller is preferably implemented by means of a circuit which comprises a digital clock signal generator, the output of which is connected to the measurement excitation input of an analog-to-digital converter. The controller circuit includes such reset buffer circuits with a length of 8 and a frequency divider with a value equal to 2, reset at the moment of starting the measurements, the inputs of which are connected to the digital signal output from eight memory units buffers connected in series connected to the analog-to-digital converter informing that the queue is the buffer values have been saved. The output of the reset buffer is connected to the parameter calculator to the digital signal input to trigger the parameter calculation. The reset buffer, when the first seven initiation signals arrive, does not transmit the wake-up signal to the output, but when the eighth and subsequent initiation signals arrive, the buffer transfers the wake-up signal to the parameter calculator. On the other hand, the output of the frequency divider is connected to the digital signal input of the parameter calculation system, which informs whether the current or voltage values are stored in the buffers of the memory units that store the values of the fifth and seventh measurements. If the analog-to-digital converter sends a digital signal to terminate the processing but does not send a digital signal about the end of sampling, or this signal is not sent to the measuring line controller, the signal from the frequency divider is also sent to the multiplexer control input, which is connected to the divider output. However, if the analog-to-digital converter sends digital sampling and processing end signals and they are sent to the measurement circuit controller, the multiplexer control input is connected directly to the output of the second frequency divider by a value equal to 2 contained in the measurement circuit controller, which is reset at the moment of starting the measurements and whose input is connected to the digital signal output of the analog-to-digital converter informing that the converter has finished sampling.

Układ obliczania parametrów wzbudzany jest po zebraniu pomiarów, czyli po zmierzeniu pierwszych czterech wartości chwilowych prądu i czterech wartości chwilowych napięcia oraz po zmierzeniu każdej kolejnej wartości chwilowej prądu lub napięcia, i oblicza następujące parametry:The parameter calculation system is activated after collecting the measurements, i.e. after measuring the first four instantaneous values of current and four instantaneous values of voltage, and after measuring each successive instantaneous value of current or voltage, and calculates the following parameters:

PL 232 462 Β1 parametr pomocniczy θι według wzoru: r ą=-X 2x,PL 232 462 Β1 auxiliary parameter θι according to the formula: r ą = -X 2x,

4x, dlax₃ =0 θ,=4x, for x ₃ = 0 θ, =

4x, x, + ^x² + 4x^(x^ + x,)4x, x, + ^ x ² + 4x ^ (x ^ + x,)

4xj dlax₃ αΟλχ² + 4x₃(x₃ + x₇)<0 dlax₃ #0λχ² + 4x₃(x₃ + x₇)>0ax, + 2x₃ <0 dlax₃ /0ΛΧ, + 4x₃(x₃ + x₇)>0ax, +2x₅ £0 parametr pomocniczy Θ? według wzoru:4xj forx ₃ αΟλχ ² + 4x ₃ (x ₃ + x ₇ ) <0 forx ₃ # 0λχ ² + 4x ₃ (x ₃ + x ₇ )> 0ax, + 2x ₃ <0 for x ₃ / 0ΛΧ, + 4x ₃ (x ₃ + x ₇ )> 0ax, + 2x ₅ £ 0 auxiliary parameter Θ? according to the formula:

2x,2x,

4x, ^X2 +4x, ^X 2+

4x, x₂ + 7xj+4x₄(x^x_ł)4x, x ₂ + 7xj + 4x ₄ (x ^ x _ł )

4x, dla Xj = O dla x₄ * 0 λ x₂ ² + 4x₄ (x₄ + x_s) O dla x, 0 λ x₃ ² + 4x₄ (x₄ + x₈) > 0 λ x₃ + 2x₆ < O dla x₄ * 0 λ x² + 4x₄ (x₄ + x₈) > O a x₂ + 2x₆ £ 0 parametr pomocniczy Θ według wzoru:4x, for Xj = O for x ₄ * 0 λ x ₂ ² + 4x ₄ (x ₄ + x _s ) O for x. 0 λ x ₃ ² + 4x ₄ (x ₄ + x ₈ )> 0 λ x ₃ + 2x ₆ <O for x ₄ * 0 λ x ² + 4x ₄ (x ₄ + x ₈ )> O ax ₂ + 2x ₆ £ 0 auxiliary parameter Θ according to the formula:

= /(0,A) o własności:= / (0, A) with property:

dla 0, < Θ, θ^/(θ„θ₂)>θ₂ dia0,>0_; w szczególności według wzoru na średnią Chisinego, korzystnie według wzoru na średnią aryt m etyczną:for 0, <Θ, θ ^ / (θ "θ ₂ )> θ ₂ dia0,> 0 _; in particular according to the formula for the mean chisine, preferably the formula for the ethical mean

₍₎J^ przy czym jeżeli jednostka arytmetyczno logiczna w układzie obliczania parametrów oblicza war tość parametru Θspełniającą warunek | θ\ >1 - ε gdzie: ₍₎ J ^ where if the arithmetic logical unit in the parameter calculation system calculates the value of the parameter Θ which satisfies the condition | θ \> 1 - ε where:

εε(0;10^_1], przy czym korzystnie εε[10 ⁵; 10 ²], to wartość ta zmieniana jest na wartość wyzna czaną według wzoru:εε (0; 10 ^_1 ], where preferably εε [10 ⁵ ; 10 ² ], then this value is changed to the value determined according to the formula:

łŁ-l+i dIać?<0 dla0>O • moc pozorną | S |:łŁ-l + i dIać? <0 for 0> O • apparent power | S |:

|S| = 2^1 ⁺ “ W + ))| S | = 2 ^ 1 ⁺ “W +))

PL 232 462 Β1 • parametr pomocniczy O według wzoru:PL 232 462 Β1 • auxiliary parameter O according to the formula:

a = 2χ₆χ₇0-(χ₅λ₄ + χ,η,) • parametr pomocniczy b według wzoru:a = 2χ ₆ χ ₇ 0- (χ ₅ λ ₄ + χ, η,) • auxiliary parameter b according to the formula:

• moc czynną P:• active power P:

a+b ** (20-2)720 + 2 • moc bierną: ΰ o w przypadku gdy najpierw wykonywany jest pomiar napięcia, według wzoru:a + b ** (20-2) 720 + 2 • reactive power: ΰ o when the voltage is measured first, according to the formula:

a~~ba ~~ b

Q~-a--—== (20 + 2)72-20 o w przypadku gdy najpierw wykonywany jest pomiar prądu, według wzoru:Q ~ -a --— == (20 + 2) 72-20 o when current measurement is performed first, according to the formula:

„ a-b"A-b

Q- a--_x ,...........................Q- a-- _x , ...........................

(20 4-2)72-20(20 4-2) 72-20

Występujący we wzorach na moc czynną bierną i pozorną współczynnik a jest stałą charakterystyczną dla danego układu pomiarowego wyznaczaną według wzoru:The coefficient a, present in the formulas for active reactive and apparent power, is a characteristic constant for a given measurement system, determined according to the formula:

a w którym ca jest współczynnikiem proporcji pomiędzy wartością prądu dwójnika a wartością na wyjściu przetwornika analogowo cyfrowego, zaś az jest współczynnikiem proporcji pomiędzy wartością napięcia na dwójniku a wartością na wyjściu przetwornika analogowo cyfrowego. Jednostką współczynnika ai jest amper [A], zaś jednostką współczynnika 012 jest wolt [V], Współczynniki te stosuje się w celu przekształcenia wyniku na wyjściu przetwornika analogowo cyfrowego będącego liczbą całkowitą na wynik będący wielkością fizyczną prądu dwójnika lub napięcia na dwójniku. Obliczone wartości mocy czynnej, biernej i pozornej układ obliczania parametrów przesyła w sposób pośredni lub bezpośredni do interfejsu układu pomiarowego.and where ca is the ratio between the two-terminal current value and the output value of the analog-to-digital converter, and az is the ratio ratio between the voltage at the two-terminal point and the output value of the analog-to-digital converter. The unit of the coefficient ai is the ampere [A] and the unit of the coefficient 012 is the volt [V]. These coefficients are used to convert the result of an A / D converter output that is an integer into a physical value of two-terminal current or voltage at the two terminal. The calculated values of active, reactive and apparent power are sent directly or indirectly by the parameter calculation system to the interface of the measuring system.

Zaletą przedstawionego układu do pomiaru parametrów mocy odbieranej przez dwójnik zasilany prądem sinusoidalnie zmiennym jest minimalna liczba próbek pomiarowych, możliwość skrócenia czasu pomiaru poniżej jednego okresu napięcia zasilania dwójnika, zmniejszenie złożoności obliczeniowej, a tym samym kosztu energetycznego i czasu wyznaczania parametrów, oraz uproszczenie sposobu pomiaru poprzez wyeliminowanie konieczności synchronizacji próbkowania z okresem prądu lub napięcia. Dodatkowo przy obliczaniu wartości poszczególnych mocy nie są wykorzystywane funkcje trygonometryczne wiążące się z dużą złożonością obliczeniową, zaś operacje obliczeniowe ograniczają się jedynie do najprostszych operacji arytmetycznych: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia i pierwiastkowania. Kolejną zaletą rozwiązania jest zastosowanie określonych wzorów dla pierwszego pomiaru prądu i napięcia, co pozwala na wyznaczenie kolejnego wyniku po każdym pomiarze prądu i napięcia, a tym samym skrócić okres pomiędzy kolejnymi wynikami parametrów o połowę. Szczególną zaletą układu wyróżniającą go na tle innych rozwiązań jest to, że przy założeniu braku błędu pomiarowego i numerycznego wyznaczone parametry nie posiadają błędu wynikającego ze sposobu pomiaru, czyli uzyskany wynik jest dokładny.The advantage of the presented system for measuring the parameters of power received by a bi-terminal powered by a sinusoidal alternating current is the minimum number of measurement samples, the possibility of shortening the measurement time below one voltage period of the supply voltage of the two-terminal, reducing the computational complexity, and thus the energy cost and time of determining parameters, and simplifying the measurement method by eliminating the need to synchronize sampling with the current or voltage period. In addition, when calculating the values of individual powers, trigonometric functions associated with high computational complexity are not used, and the computational operations are limited only to the simplest arithmetic operations: addition, subtraction, multiplication, division and square root. Another advantage of the solution is the use of specific formulas for the first current and voltage measurement, which allows to determine the next result after each current and voltage measurement, and thus shorten the period between successive parameter results by half. A special advantage of the system, which distinguishes it from other solutions, is that, assuming no measurement and numerical error, the determined parameters do not have an error resulting from the measurement method, i.e. the obtained result is accurate.

Wynalazek zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia ogólnie układ pomiarowy, Fig. 2 przedstawia schemat układu obliczania parametrów UOP, natomiast Fig. 3 przedstawia schemat kontrolera toru pomiarowego KTP. Na schemacie układu pomiarowego z Fig. 1 generator G, podłączony do zacisków wejściowych toru pomiarowego,The invention will be illustrated in the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a general measurement system, Fig. 2 shows a diagram of the UOP parameter calculation system, and Fig. 3 shows a diagram of a measuring circuit controller KTP. In the diagram of the measuring system from Fig. 1, the generator G, connected to the input terminals of the measuring circuit,

PL 232 462 B1 reprezentuje symbolicznie układ generujący napięcie sinusoidalnie zmienne, natomiast dwójnik D, podłączony do zacisków wyjściowych toru pomiarowego, reprezentuje symbolicznie dwójnik, którego parametry poboru mocy są badane.PL 232 462 B1 symbolically represents a system generating a sinusoidal alternating voltage, while the two-terminal D, connected to the output terminals of the measuring line, symbolically represents the two-terminal whose power consumption parameters are tested.

Układ pomiarowy jest przystosowany do obsługi przez użytkownika za pomocą interfejsu INT. Poprzez interfejs INT użytkownik może nastawić parametry pracy układu pomiarowego, uruchomić pomiar czy też odczytać wyniki pomiaru. Interfejs INT połączony jest dwukierunkową magistralą cyfrową z kontrolerem interfejsu KI.The measuring system is adapted to be operated by the user via the INT interface. Through the INT interface, the user can set the operating parameters of the measuring system, start a measurement or read the measurement results. The INT interface is connected by a bi-directional digital bus with the KI interface controller.

Kontroler interfejsu KI jest przystosowany do pracy w dwóch trybach: w trybie nastawiania parametrów pomiaru oraz w trybie pomiarowym. W trybie nastawiania parametrów pomiaru kontroler KI obsługuje interfejs INT - pobiera parametr nastawczy okresu próbkowania oraz pobiera komendę o rozpoczęciu pomiaru. Dodatkowo kontroler KI zapisuje parametr pracy układu - okresu taktowania zegara Tclk za pomocą magistrali cyfrowej w jednostce pamięci TC gdzie okres Tclk jest równy okresowi próbkowania przetwornika analogowo cyfrowego ADC T_p = ATs, gdzie Ts. jest okresem pomiędzy kolejnymi próbkami prądu lub napięcia. Okres Ts musi spełniać warunek Ts < AT, gdzie Tjest okresem badanego napięcia, stąd też musi być spełniony warunek Tclk = Tp < AT.The KI interface controller is adapted to work in two modes: in the measurement parameter setting mode and in the measurement mode. In the measurement parameter setting mode, the KI controller supports the INT interface - it downloads the sampling period setting parameter and gets the command to start the measurement. In addition, the KI controller writes the system operation parameter - the clock timing period Tclk with the digital bus in the memory unit TC where the Tclk period is equal to the ADC sampling period T _p = ATs, where Ts. is the period between consecutive current or voltage samples. The period Ts must satisfy the condition Ts <AT, where T is the period of the tested voltage, hence the condition Tclk = Tp <AT must be met.

W momencie nadejścia z interfejsu INT komendy o inicjacji pomiaru, kontroler interfejsu KI wysyła do interfejsu INT informację o rozpoczęciu pomiaru oraz wysyła sygnał cyfrowy do kontrolera toru pomiarowego KTP w celu rozpoczęcia pomiarów. Następnie kontroler KI zawiesza swe działanie w trybie komunikacji, przechodząc do trybu oczekiwania do momentu pojawienia się sygnału cyfrowego informującego o wyznaczeniu wartości parametrów mocy pochodzącego z układu obliczania parametrów UOP.When the command to initiate the measurement is received from the INT interface, the KI interface controller sends to the INT interface the information about the start of the measurement and sends a digital signal to the KTP measurement line controller in order to start the measurements. Then the KI controller suspends its operation in the communication mode, entering the standby mode until the appearance of a digital signal informing about the determination of the power parameters value from the UOP parameter calculator.

W momencie pojawienia się sygnału wyznaczenia wartości parametrów z układu UOP, kontroler interfejsu KI odczytuje za pomocą magistral cyfrowych wyznaczone parametry mocy pobieranej przez dwójnik zasilany napięciem sinusoidalnie zmiennym: moc czynną P zapisaną w jednostce pamięci P, moc bierną Q zapisaną w jednostce pamięci Q oraz moc pozorną |S| zapisaną w jednostce pamięci MS i wysyła je do interfejsu INT. Następnie kontroler interfejsu sprawdza za pomocą magistrali cyfrowej czy na interfejsie nie ma komunikatu o zakończeniu pomiarów. Jeżeli nie ma komunikatu o zakończeniu pomiarów, to kontroler interfejsu KI pozostaje w trybie pomiarowym oczekując na kolejny sygnał z układu UOP informujący o kolejnym wyznaczeniu wartości parametrów mocy pobieranej przez dwójnik i powtarza całą procedurę trybu pomiarowego. W przypadku, gdy kontroler interfejsu odczyta z interfejsu INT komunikat o zakończeniu pomiarów, kontroler KI wysyła do kontrolera KTP sygnał cyfrowy o zakończeniu pomiarów i następnie powraca do trybu nastawiania parametrów pomiaru.At the moment of the appearance of the signal to determine the parameter values from the UOP system, the KI interface controller reads, using digital buses, the determined parameters of the power consumed by the two-terminal supplied with sinusoidal voltage: active power P stored in the memory unit P, reactive power Q stored in the memory unit Q and power apparent | S | stored in the memory unit MS and sends them to the INT interface. Then, the interface controller checks via the digital bus if there is no message on the interface on the completion of the measurements. If there is no message about the end of the measurements, the KI interface controller remains in the measurement mode, waiting for the next signal from the UOP system, informing about the next determination of the value of the power parameters consumed by the two-pole and repeats the entire measurement mode procedure. If the interface controller reads the measurement completion message from the INT interface, the KI controller sends a digital signal to the KTP controller about the completion of the measurements and then returns to the measurement parameter setting mode.

Kontroler toru pomiarowego KTP ma za zadanie sterowanie torem pomiarowym i układem obliczania parametrów UOP.The KTP measuring track controller is responsible for controlling the measuring track and the system for calculating UOP parameters.

W skład toru pomiarowego wchodzą: rezystor wzorcowy RW, wzmacniacze różnicowe W1 i W2, multiplekser MUX, przetwornik analogowo cyfrowy ADC oraz osiem buforów jednostek pamięci: X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7, X8. Generator G, podłączony do zacisków wejściowych toru pomiarowego, reprezentuje symbolicznie układ generujący zmienne napięcie, natomiast dwójnik D, podłączony do zacisków wyjściowych toru pomiarowego, reprezentuje symbolicznie dwójnik, którego parametry poboru mocy są badane.The measurement path includes: RW reference resistor, W1 and W2 differential amplifiers, MUX multiplexer, ADC analog-digital converter and eight memory unit buffers: X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7, X8. The generator G, connected to the input terminals of the test line, symbolically represents the system generating variable voltage, while the two-terminal D, connected to the output terminals of the test line, symbolically represents the two-terminal whose power consumption parameters are tested.

Połączone szeregowo dwójnik D oraz rezystor wzorcowy RW przyłączone są do zacisków generatora G. Do zacisków wzorcowego rezystora RW dołączone są wejścia pierwszego wzmacniacza różnicowego W1, który wzmacnia wywołany przepływem prądu spadek napięcia na rezystorze wzorcowym RW. Wejścia drugiego wzmacniacza różnicowego W2 dołączone są do zacisków badanego dwójnika D. Wyjścia obu wzmacniaczy W1 i W2 dołączone są do odpowiadających im wejść multipleksera MUX. Sterowanie multiplekserem MUX odbywa się za pomocą kontrolera toru, pomiarowego KTP. Wyjście multipleksera MUX dołączone jest do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, którego wejście zewnętrznego wzbudzenia pomiarów jest sterowane sygnałem cyfrowym z kontrolera toru pomiarowego KTP. Zadaniem wzmacniaczy W1 i W2 jest kondycjonowanie odpowiednio napięcia na rezystorze wzorcowym RW i napięcia na dwójniku D do zakresu przetwornika ADC. Oznacza to, że napięcie na wyjściu wzmacniaczy w odniesieniu do masy jest wprost proporcjonalne do prądu dwójnika D i napięcia na dwójniku D oraz wzmocnienie wzmacniaczy jest tak dobrane, aby przy zadanym zakresie pomiarowym napięcie na ich wyjściu nie przekraczało zakresu pracy przetwornika ADC. Dodatkowo, zakres pracy multipleksera MUX nie może być mniejszy od zakresu pracy przetwornika ADC. Przetwornik ADC wysyła dwa sygnały cyfrowe: jeden o zakończeniu próbkowania do kontrolera KTP oraz drugi o zakończePL 232 462 B1 niu przetwarzania (całego pomiaru) do bufora jednostki pamięci X1. Dodatkowo, przetwornik ADC przesyła za pomocą magistrali cyfrowej wynik pomiaru do bufora jednostki pamięci X8. Bufory jednostek pamięci X1-X8 posiadają jedno wejście cyfrowe, które inicjuje zapis wartości na wejściu bufora połączonego z magistralą cyfrową. Po zapisaniu wartości do bufora jej wartość jest podawana na wyjście połączone z magistralą cyfrową oraz wysyłany jest cyfrowy sygnał inicjacyjny do innego układu cyfrowego. Bufory te są połączone w taki sposób, że wartość z przetwornika ADC podawana jest najpierw do bufora jednostki pamięci X8, następnie z bufora X8 do X7, X7 do X6, X6 do X5 X2 do X1, natomiast cyfrowy sygnał inicjacyjny po zakończeniu pomiaru przez przetwornik ADC podawany jest do bufora X1, następnie z bufora X1 do X2, X2 do X3, X3 do X4, ... , X7 do X8. Na końcu cyfrowy sygnał wzbudzenia z bufora jednostki pamięci X8 podawany jest do kontrolera toru pomiarowego KTP. Taki schemat połączeń sprawia, że na wyjściach buforów X1-X8 są kolejno wartości ostatnich ośmiu pomiarów, przy czym w buforze X8 jest wartość ostatniego pomiaru. Wartości na wyjściach wszystkich buforów X1-X8 podawane są za pomocą magistral cyfrowych do układu obliczania parametrów UOPThe series-connected two-terminal D and the standard resistor RW are connected to the generator terminals G. The terminals of the standard resistor RW are connected to the inputs of the first differential amplifier W1, which amplifies the voltage drop on the standard resistor RW caused by the flow of current. The inputs of the second differential amplifier W2 are connected to the terminals of the tested two-terminal D. The outputs of both amplifiers W1 and W2 are connected to the corresponding inputs of the MUX multiplexer. The MUX multiplexer is controlled by means of a track controller, measuring KTP. The output of the MUX multiplexer is connected to the input of the ADC analog-to-digital converter, whose input for external excitation of measurements is controlled by a digital signal from the KTP measuring line controller. The task of the W1 and W2 amplifiers is to condition the voltage across the reference resistor RW and the voltage across the dipole D, respectively, to the ADC range. This means that the voltage at the output of the amplifiers in relation to the ground is directly proportional to the current of the two-terminal point D and the voltage of the two terminal point D, and the gain of the amplifiers is selected so that at a given measuring range the voltage at their output does not exceed the operating range of the ADC. Additionally, the operating range of the MUX multiplexer cannot be smaller than the operating range of the ADC converter. The ADC sends two digital signals: one at the end of sampling to the KTP controller and the other at the end of processing (of the entire measurement) to the memory unit buffer X1. Additionally, the ADC transmits the measurement result to the buffer of the X8 memory unit via the digital bus. The memory unit buffers X1-X8 have one digital input which initiates writing of the value to the input of the buffer connected to the digital bus. After writing the value to the buffer, its value is fed to the output connected to the digital bus and the digital initiation signal is sent to another digital circuit. These buffers are connected in such a way that the value from the ADC converter is sent first to the buffer of the memory unit X8, then from the buffer X8 to X7, X7 to X6, X6 to X5 X2 to X1, while the digital initiation signal after the end of the measurement by the ADC converter it is given to the X1 buffer, then from the X1 to X2 buffer, X2 to X3, X3 to X4, ..., X7 to X8. Finally, the digital excitation signal from the X8 memory unit buffer is fed to the KTP measurement line controller. Such a connection scheme means that at the outputs of the X1-X8 buffers there are successively the values of the last eight measurements, with the value of the last measurement in the X8 buffer. The values at the outputs of all X1-X8 buffers are given via digital buses to the UOP parameter calculation system

Dokładny schemat struktury kontrolera toru pomiarowego KTP wraz z cyfrowymi sygnałami i magistralą zewnętrzną, oraz jednostką pamięci TC przedstawiony jest na Fig. 3. Kontroler KTP składa się z czterech elementów: generatora cyfrowego sygnału zegarowego CLK, układu bufora resetu o długości 8 U8R8, i dwóch dzielników częstotliwości przez wartość równą 2 - DF2A i DF2B. Sygnał cyfrowy rozpoczęcia pomiarów pochodzący z kontrolera interfejsu KI jest sygnałem resetu dla wszystkich czterech elementów. W momencie rozpoczęcia pomiarów sygnał resetu jest wyłączany co powoduje jednoczesne rozpoczęcie pracy wszystkich czterech elementów. Zegar CLK odczytuje za pomocą magistrali cyfrowej wartość okresu zegara Tclk z jednostki pamięci TC i na jej podstawie ustawia swój okres pracy. Zadaniem zegara jest wzbudzanie pomiaru w przetworniku ADC, którego wejście zewnętrznego wzbudzania pomiaru połączone jest z wyjściem zegara. W momencie, gdy przetwornik ADC zakończy próbkowanie napięcia na swoim wejściu analogowym wysyła sygnał wzbudzenia do układu dzielnika częstotliwości przez 2 DF2B, którego wyjście jest podłączone do wejścia sterującego multipleksera MUX. Rozwiązanie to zapewnia, że po zebraniu jednej próbki multiplekser przełącza się na drugie wejście z którego zbierana jest kolejna jedna próbka, czyli naprzemiennie jest mierzona jedna próbka prądu dwójnika D i jedna próbka napięcia na dwójniku D. Przetwornik ADC po zakończeniu pomiaru przesyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do kaskady buforów jednostek pamięci X1-X8. Po zapisaniu wyniku z przetwornika do bufora X8, bufor X8 wysyła cyfrowy sygnał inicjacyjny do dwóch układów: układu bufora resetu długości 8 UBR8 i do układu dzielnika częstotliwości przez 2 DF2A. Zadaniem układu bufora resetu długości 8 jest zliczanie cyfrowych sygnałów inicjacyjnych na swoim wejściu. W momencie gdy nadejdzie pierwszych siedem sygnałów inicjacyjnych bufor nie przekazuje sygnału wzbudzenia na wyjście, natomiast w przypadku nadejścia ósmego i kolejnych sygnałów inicjacyjnych bufor UBR8 przekazuje sygnał inicjacyjny na swoje wyjście, które połączone jest z wejściem cyfrowym zewnętrznego wzbudzenia układu obliczania parametrów UOP (sygnał INIT). Oznacza to, że sygnał inicjacyjny będzie podany do układu UOP po zebraniu pierwszych ośmiu próbek i po zebraniu każdej kolejnej próbki przez przetwornik ADC. Układ dzielnika częstotliwości przez 2 DF2A zmienia wartość sygnału cyfrowego na przeciwny na swoim wyjściu po każdym odebraniu sygnału inicjacyjnego na swoim wejściu. Wyjście układu DF2A połączone jest z wejściem cyfrowym układu obliczania parametrów UOP (sygnał U/l) i informuje czy w buforach X1, X3, X5, X7 zapisane są dane próbek prądu czy napięcia.A detailed diagram of the structure of the KTP measurement circuit controller with digital signals, an external bus, and a TC memory unit is shown in Fig. 3. The KTP controller consists of four elements: a CLK digital clock signal generator, a reset buffer system with a length of 8 U8R8, and two frequency dividers by a value equal to 2 - DF2A and DF2B. The digital signal to start the measurements from the KI controller is the reset signal for all four elements. At the moment of starting the measurements, the reset signal is turned off, which causes the simultaneous start of operation of all four elements. The CLK clock reads the value of the clock period Tclk from the memory unit TC via the digital bus and sets its operating period based on this. The task of the clock is to trigger the measurement in the ADC converter, whose input of external excitation of the measurement is connected with the clock output. When the ADC finishes sampling the voltage on its analog input, it sends an excitation signal to the frequency divider via 2 DF2B, the output of which is connected to the control input of the MUX multiplexer. This solution ensures that after collecting one sample, the multiplexer switches to the second input, from which another one sample is collected, i.e. one sample of the D-terminal current and one voltage sample at the D-terminal are alternately measured. After the end of the measurement, the ADC converter sends an initial digital signal to memory unit buffer cascades X1-X8. After writing the result from the converter to the X8 buffer, the X8 buffer sends a digital initiation signal to two circuits: the length reset buffer circuit 8 UBR8 and to the frequency divider circuit by 2 DF2A. The purpose of the length reset buffer circuit 8 is to count the digital initiation signals on its input. When the first seven initiation signals arrive, the buffer does not transmit the excitation signal to the output, while when the eighth and subsequent initiation signals arrive, the UBR8 buffer transmits the initiation signal to its output, which is connected to the digital input of the external excitation of the UOP parameter calculator (INIT signal) . This means that the initiation signal will be applied to the UOP after the first eight samples are collected and each additional sample is collected by the ADC. The frequency divider by 2 DF2A changes the value of the digital signal to the opposite value at its output each time it receives an initiation signal at its input. The DF2A output is connected to the digital input of the UOP parameter calculator (U / l signal) and informs whether the X1, X3, X5, X7 buffers contain data of current or voltage samples.

Do obliczania wartości danych pomiarowych na podstawie wartości próbek danych pomiarowych zebranych w buforach X1-X8 służy układ obliczania parametrów UOP. Dokładny schemat struktury układu obliczania parametrów UOP wraz z cyfrowymi sygnałami i magistralami zewnętrznymi, oraz buforami jednostek pamięci danych pomiarowych X1-X8 i jednostkami pamięci P, Q oraz MS przedstawiony jest na Fig. 2.The UOP parameter calculation system is used to calculate the measurement data values on the basis of the measurement data sample values collected in the X1-X8 buffers. A detailed structure diagram of the UOP parameter computing system along with digital signals and external buses, and buffers of measurement data memory units X1-X8 and memory units P, Q and MS is shown in Fig. 2.

Układ obliczania parametru Θι UO©1 oczekuje na cyfrowy sygnał wzbudzenia z układu KTP (DF4). W momencie odebrania sygnału inicjacyjnego odczytuje za pomocą magistral cyfrowych wartości próbek xi z bufora X1, Χ3 z bufora X3, Χ5 z bufora X5 oraz Χ7 z bufora X7 i na ich podstawie oblicza wartość parametru pomocniczego Θι według wzoru:The calculation of the parameter Θι UO © 1 waits for the digital excitation signal from the KTP (DF4) system. At the moment of receiving the initial signal, it reads, via digital buses, the values of samples xi from the X1 buffer, Χ3 from the X3 buffer, Χ5 from the X5 buffer and Χ7 from the X7 buffer and on their basis calculates the value of the auxiliary parameter Θι according to the formula:

PL 232 462 Β1 θ,=PL 232 462 Β1 θ, =

2jt, ^x,2jt, ^x ,

4x_s χ,-^χΙ+4χ,(χ₃+χ₇)4x _s χ, - ^ χΙ + 4χ, (χ ₃ + χ ₇ )

4x, ^ + ^+4^+¾)4x, ^ + ^ + 4 ^ + ¾)

4x, dla x₃ -O dla x, 0 λ x² + 4x₃ (.η + x₇) <, O dla x₃ * O λ x} + 4x₃ (x₃ + x,) > O λ x, + 2x₅ < O dla'x, Φ O a X² + 4xj(x₅ + x,)> Ολ x, + 2x_s >04x, for x ₃ -O for x, 0 λ x ² + 4x ₃ (.η + x ₇ ) <, O for x ₃ * O λ x} + 4x ₃ (x ₃ + x,)> O λ x, + 2x ₅ <O for'x, Φ O a X ² + 4xj (x ₅ + x,)> Ολ x, + 2x _s > 0

Następnie układ ΙΙΟΘ1 za pomocą magistrali cyfrowej zapisuje wartość parametru θι w jednostce pamięci Θ1, wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu bramki AND A1 i przechodzi w tryb oczekiwania na sygnał wzbudzenia z kontrolera toru pomiarowego KTP.Then the circuit ΙΙΟΘ1, using the digital bus, writes the value of the parameter θι in the memory unit Θ1, sends an initial digital signal to the AND gate circuit A1, and goes into the waiting mode for the excitation signal from the KTP test track controller.

Układ obliczania parametru Θ2 UO©2 oczekuje na cyfrowy sygnał wzbudzenia z układu KTP (DF4). W momencie odebrania sygnału inicjacyjnego odczytuje za pomocą magistral cyfrowych wartości próbek x₂ z bufora X2, Χ4 z bufora X4, xe z bufora X6 oraz xg z bufora X8 i na ich podstawie oblicza wartość parametru pomocniczego Θ2 według wzoru:The calculation system for the parameter Θ2 UO © 2 waits for the digital excitation signal from the KTP system (DF4). At the moment of receiving the initiation signal, it reads, via digital buses, the values of samples x ₂ from the X2 buffer, Χ4 from the X4 buffer, xe from the X6 buffer and xg from the X8 buffer and on their basis calculates the value of the auxiliary parameter Θ2 according to the formula:

θ₂ = x₂ + ^x₂ + 4xθ ₂ = x ₂ + ^ x ₂ + 4x

4¾ dla x, = 0 dla x₄ * 0aXj + 4x₄ ( x₄ + x_t) < 0 dla x₄ # 0λ xj + 4x₄ (x₄ + x_a) > 0 λx₃ + 2x₆ < 0 dla χ, * 0 a + 4x₄ (x₄ + x_?) >0 λ x₂ + 2x_ć > 04¾ for x, = 0 for x ₄ * 0aXj + 4x ₄ (x ₄ + x _t ) <0 for x ₄ # 0λ xj + 4x ₄ (x ₄ + x _a )> 0 λx ₃ + 2x ₆ <0 for χ , * 0 a + 4x ₄ (x ₄ + x _? )> 0 λ x ₂ + 2x _و > 0

Następnie układ UO©2 za pomocą magistrali cyfrowej zapisuje wartość parametru Θ2 w jednostce pamięci Θ2, wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu bramki AND A1 i przechodzi w tryb oczekiwania na sygnał wzbudzenia z kontrolera toru pomiarowego KTP.Then, the UO © 2 system, using the digital bus, writes the value of the parameter Θ2 in the memory unit Θ2, sends an initial digital signal to the AND gate circuit A1 and goes into the waiting mode for the excitation signal from the KTP test track controller.

Układ bramki AND A1 oczekuje ha inicjacyjne sygnały cyfrowe z układów UO©1 i UO©2. Po odebraniu obydwu sygnałów inicjacyjnych układ bramki AND A1 wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu obliczania parametrów końcowych UOK i przechodzi w tryb oczekiwania na sygnały wzbudzenia z układów UO©1 oraz UO©2.The AND gate circuit A1 expects ha initial digital signals from UO © 1 and UO © 2. After receiving both initiation signals, the AND gate circuit A1 sends an initiation digital signal to the end parameter calculator UOK and goes into the waiting mode for excitation signals from UO © 1 and UO © 2.

Układ obliczania parametru Θ2 UO© oczekuje na inicjacyjny sygnał cyfrowy z układu bramki AND A1. Po odebraniu sygnału inicjacyjnego układ UO© za pomocą magistral cyfrowych odczytuje odpowiednio parametry pomocnicze Θ1 z jednostki pamięci Θ1 oraz Θ2 z jednostki pamięci Θ2 i oblicza parametr pomocniczy Θ według wzoru:The calculator of the parameter Θ2 UO © waits for the initial digital signal from the AND gate A1. After receiving the initiation signal, the UO © circuit uses digital buses to read the auxiliary parameters Θ1 from the memory unit Θ1 and Θ2 from the memory unit Θ2, respectively, and calculates the auxiliary parameter Θ according to the formula:

_g + ffł 2 przy czym jeżeli obliczona wartość parametru Θ spełnia warunek |6*|>0,9999, to wartość ta zmieniana jest na wartość wyznaczaną według wzoru: _g + ffł 2 where if the calculated value of the parameter Θ meets the condition | 6 * |> 0.9999, then this value is changed to the value determined according to the formula:

f0 =-0,9999 dlaĆ?<0 [0 = 0,9999 dla0>Of0 = -0.9999 for? <0 [0 = 0.9999 for 0> O

PL 232 462 Β1PL 232 462 Β1

Następnie układ UO© za pomocą magistrali cyfrowej zapisuje wartość parametru Θ w jednostce pamięci Θ, wysyła inicjacyjne sygnały cyfrowe do układu obliczania parametrów końcowych UOK i przechodzi w tryb oczekiwania na sygnał wzbudzenia z układu bramki AND A1.Then, the UO © circuit uses the digital bus to store the value of the parameter Θ in the memory unit Θ, sends initial digital signals to the end parameter calculator UOK, and goes into the waiting mode for the wake-up signal from the AND A1 gate circuit.

Układ obliczania parametrów końcowych UOK oczekuje na sygnał wzbudzenia z układu obliczania parametru 6*UOO. W momencie otrzymania sygnału wzbudzenia układ odczytuje za pomocą magistral cyfrowych wartość parametru Θ z jednostki pamięci Θ oraz wartości próbek Χ3 z bufora X3, Χ4 z bufora X4, X5 z bufora X5 i xe z bufora X6 i na ich podstawie oblicza:The UOK end parameter calculation system waits for the excitation signal from the 6 * UOO parameter calculation system. At the moment of receiving the excitation signal, the system reads, using digital buses, the value of the parameter Θ from the memory unit Θ and the values of samples Χ3 from the X3 buffer, Χ4 from the X4, X5 buffer from the X5 buffer and xe from the X6 buffer and on their basis calculates:

• wartość mocy pozornej |S| według wzoru:• value of apparent power | S | according to the formula:

|5| ₌ ))(2x₆x„0 - (xf + xf) j którą zapisuje za pomocą magistrali cyfrowej w jednostce pamięci MS, • wartość parametru według wzoru:| 5 | ₌ )) (2x ₆ x „0 - (xf + xf) j which is saved by the digital bus in the MS memory unit, • parameter value according to the formula:

a = 2x_bx₇0 - (x₅x_ć + x₇x_g) którą zapisuje za pomocą magistrali cyfrowej w jednostce pamięci A, • wartość parametru b według wzoru:a = 2x _b x ₇ 0 - (x ₅ x _æ + x ₇ x _g ) which is saved by the digital bus in the memory unit A, • parameter value b according to the formula:

którą zapisuje za pomocą magistrali cyfrowej w jednostce pamięci B.which it saves over the digital bus in memory unit B.

Występujący we wzorze na moc pozorną współczynnik a jest stałą charakterystyczną dla danego układu pomiarowego wyznaczaną według wzoru:The coefficient a appearing in the formula for apparent power is a constant characteristic for a given measurement system, determined according to the formula:

a = w którym ai jest współczynnikiem proporcji pomiędzy wartością prądu dwójnika D a wartością na wyjściu przetwornika ADC, zaś 02 jest współczynnikiem proporcji pomiędzy wartością napięcia na dwójniku D a wartością na wyjściu przetwornika ADC. Jednostką współczynnika ai jest amper [A], zaś jednostką współczynnika 05 jest wolt [V], Współczynniki te stosuje się w celu przekształcenia wyniku na wyjściu przetwornika ADC będącego liczbą całkowitą na wynik będący wielkością fizyczną prądu dwójnika lub napięcia na dwójniku. Dla układu z Fig. 1 współczynniki te wyznaczane są według wzorów:a = where ai is the ratio between the voltage at the terminal D and the output at the ADC, and 02 is the ratio between the voltage at the terminal D and the output at the ADC. The unit of the factor ai is the ampere [A] and the unit of the factor 05 is the volt [V]. These factors are used to convert the ADC output from an integer to a physical value for the two-terminal current or the voltage at the two terminal. For the system from Fig. 1, the coefficients are determined according to the formulas:

a,and,

LSBLSB

W',IN',

LSB ”2 gdzie wi jest wzmocnieniem wzmacniacza W1, W2 jest wzmocnieniem wzmacniacza W2, R_w jest rezystancją rezystora wzorcowego RW wyrażoną w omach [Ω], natomiast LSB jest wartością napięcia odpowiadającą 1 bitowi przetwornika ADC wyrażoną w woltach [V],LSB "2 where wi is the gain of the amplifier W1, W2 is the gain of the amplifier W2, R _w is the resistance of the reference resistor RW expressed in ohms [Ω], while LSB is the voltage value corresponding to 1 bit of the ADC converter expressed in volts [V],

Następnie dodatkowo wykorzystując zapisaną w jednostce pamięci A wartość parametru ^a oraz zapisaną w jednostce pamięci B wartość parametru b, które są odczytywane za pomocą magistral cyfrowych, układ UOK oblicza wartość mocy czynnej P według wzoru:Then, additionally using the value of parameter ^a saved in memory unit A and the value of parameter b saved in memory unit B, which are read using digital buses, the UOK system calculates the value of active power P according to the formula:

a+b (2d-2)y[20 + 2 gdzie współczynnik ^a ma taką samą wartość jak we wzorze na moc pozorną. Obliczoną wartość mocy czynnej P układ UOK zapisuje za pomocą magistrali cyfrowej w jednostce pamięci P. Dodatkowo układ UOK odczytuje wartość sygnału cyfrowego pochodzącego z kontrolera toru pomiarowego KTP (DF8 - sygnał U/l) informujący czy w próbkach Χ5 i Χ7 są wartości chwilowe prądu czy napięcia i na podstawie jego wartości jeżeli w buforach jednostek pamięci X5 i X7 są wartości próbek napięcia na dwójniku D to wartość mocy biernej Q oblicza według wzoru:a + b (2d-2) y [20 + 2 where the coefficient ^a has the same value as in the formula for apparent power. The calculated value of the active power P is saved by the UOK system by means of a digital bus in the memory unit P. Additionally, the UOK system reads the value of the digital signal coming from the KTP measuring line controller (DF8 - U / l signal) informing whether there are instantaneous current or current values in samples są5 and Χ7. and on the basis of its value, if in the memory units buffers X5 and X7 there are values of voltage samples at the dipole D, the value of reactive power Q is calculated according to the formula:

PL 232 462 Β1 a-bPL 232 462 Β1 a-b

natomiast jeżeli w jednostkach pamięci X5 i X7 są wartości próbek prądu dwójnika D to wartość mocy biernej ΰ oblicza według wzoru:while in the memory units X5 and X7 there are sample values for the bi-terminal D current, the reactive power value ΰ is calculated according to the formula:

(20 + 2)^2^20 gdzie współczynnik ^a ma taką samą wartość jak we wzorach na moc czynną i pozorną. Następnie układ UOK za pomocą magistrali cyfrowej zapisuje wartość mocy biernej ΰ w jednostce pamięci Q.(20 + 2) ^ 2 ^ 20 where the coefficient ^a has the same value as in the formulas for active and apparent power. Then the UOK system, using the digital bus, writes the reactive power value ΰ in the memory unit Q.

Po zapisaniu wartości obliczonych mocy układ UOK wysyła sygnał cyfrowy do kontrolera interfejsu KI informujący o wyznaczeniu wartości parametrów mocy.After saving the calculated power values, the UOK system sends a digital signal to the KI interface controller informing about the determination of the power parameters.

Jeżeli przetwornik ADC nie wysyła sygnałów zakończenia próbkowania i przetwarzania lecz wysyła tylko sygnał zakończenia całego pomiaru to układ kontrolera toru pomiarowego KTP z Fig. 3 zastępuje się układem z Fig. 4, w którym nie występuje układ dzielnika częstotliwości DF8, zaś sygnał cyfrowy sterujący multiplekserem MUX jest sygnałem wyjściowym dzielnika częstotliwości DF2A.If the ADC converter does not send sampling and processing termination signals, but only sends the signal to complete the entire measurement, then the KTP measurement path controller circuit from Fig. 3 is replaced by the circuit from Fig. 4, in which there is no frequency divider DF8, and the digital signal controlling the MUX multiplexer is the output of the frequency divider DF2A.

Układ kontrolera toru pomiarowego KTP z Fig. 4 można zastosować także w przypadku gdy przetwornik ADC wysyła oba sygnały zakończenia próbkowania i przetwarzania przy czym sygnał zakończenia próbkowania nie jest podłączony do kontrolera toru pomiarowego KTP.The KTP track controller system from Fig. 4 can also be used in the case when the ADC sends both sampling and processing termination signals, and the sampling termination signal is not connected to the KTP measurement line controller.

Przedstawiony powyżej układ pomiarowy według wynalazku należy uważać za przykładowy układ. Poszczególne elementy układu mogą mieć postać układów cyfrowych lub analogowych. Dla specjalisty będzie oczywistym, w jaki sposób zrealizować poszczególne bloki w celu spełnienia ich funkcjonalności. W jednej z możliwych realizacji, układ pomiarowy może być zrealizowany w postaci procesora sterowanego odpowiednim oprogramowaniem. W innej realizacji, układ pomiarowy może być zrealizowany w postaci układu programowalnych, bramek logicznych FPGA.The measurement arrangement of the invention outlined above is to be considered as an exemplary arrangement. The individual elements of the circuit may be in the form of digital or analog circuits. It will be obvious to a skilled person how to implement the individual blocks in order to fulfill their functionality. In one of the possible implementations, the measurement system may be implemented in the form of a processor controlled by appropriate software. In another embodiment, the measurement circuitry may be implemented as a programmable circuit, FPGA logic gates.

Claims

Patent claims

1.A system for measuring active, reactive and apparent power consumed by a bi-terminal supplied with sinusoidal alternating voltage, containing:

• a pair of input terminals, to which a source of sinusoidal alternating voltage (G) is connected, • a pair of output terminals, to which a two-terminal block (D), the power consumption of which is measured, is connected, • a system converting the two-terminal current into a voltage signal, connected between the pairs of terminals, o voltage proportional to the two terminal current, • a system connected to a pair of output terminals converting the voltage across the two terminal into a voltage signal proportional to the voltage at the two terminal, • both voltage signal proportional to the two terminal current and a voltage signal proportional to the voltage on the two terminal are connected to the multiplexer inputs (MUX) switching these signals to the analog input of the analog-to-digital converter (ADC), • the multiplexer (MUX) is switched by the measuring line controller (KTP), which also triggers the measurement by the analog-to-digital converter (ADC) characterized in that:

• the output of the analog-to-digital converter (ADC) is connected to the memory unit buffer (X8) containing the value of the last measurement and constituting one of the eight buffers (Χ1-Χ8) connected in series and containing the values of the last eight measurements, • the measurement path controller ( KPT) causes the fourfold measurement of the instantaneous value of current and voltage at the double junction (D) in equal time intervals of 7 _S , which are smaller than the voltage period T, obtaining the results ui = u (ti), U2 = ufe), U3 = ufo), U4 = u (t4), where ti, t2, t3, t4 are successive times of voltage measurements, and ii = i (t5), / 2 = i (te), Ϊ3 = i (t7), Ϊ4 = i (ta) , where ts, te, ie, fgs are successive times of current measurements, where

PL 232 462 Β1 the sequence of making four measurements of the instantaneous value of the voltage ui, U2 U3, U4 on the two-terminal (D) in relation to the four measurements of the instantaneous value of the current ii, / ₂ , 13.14 flowing through the two-terminal (D) is arbitrary under the condition that the first measurement of the instantaneous value of the voltage at the two-terminal point ui = u (ti) and the first measurement of the instantaneous value of the current flowing through the two-terminal point ii = 1 ((5) is carried out with the time interval T _p equal to% T _s , where if the first voltage measurement is performed then the next buffers (Χ1-Χ8) contain the values xi = ui, Χ2 = ii, Χ3 = 112, Χ4 = / 2, Χ5 = 113, xe = h, xi - 114, xs = 14, and if the first one is current measurement , then the following buffers (Χ1-Χ8) contain the values xi = h, Χ2 = ui, Χ3 = / 2, Χ4 = U2, Χ5 = 13, X6 = U3, Χ7 = 14, X8 = U4, while the outputs of the buffers (Χ1- Χ8) are connected to the input of the parameter calculator (UOP).

the parameter calculation system (UOP) is activated after collecting the measurements and calculates the following parameters: o auxiliary parameter Θ1 according to the formula: