WO1996000906A1 - Verfahren zum digitalen bestimmen des effektivwertes eines periodischen elektrischen messsignals - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/02—Measuring effective values, i.e. root-mean-square values

Definitions

  • I denotes the effective value of the periodic electrical measurement signal
  • N the number of samples per period of the electrical measurement signal
  • i (k) the respective sample value
  • the invention is based on a method for digitally determining the effective value of a periodic electrical measurement system. gnals, in which the measurement signal is sampled for a sampling interval duration that deviates from the period of the measurement signal, the sampled values after analog-to-digital conversion are squared, summed up and averaged and the resulting mean value is square-rooted and set the task is to determine the effective value of the periodic electrical signal quickly - after a period of the measurement signal - and with high accuracy.
  • the main advantage of the method according to the invention is that, despite a difference between the sampling interval and the period of the measurement signal, the effective value of the periodic electrical measurement signal can be determined with high accuracy even after one period of the electrical measurement signal which is corrected after a period of the electrical measurement signal from the sampled values without further calculable (erroneous) effective value.
  • sampled values for determining the effective value which are formed with respect to other measuring tasks with respect to the periodic electrical measuring signal in such a way that sampling with a non-integer multiple of the frequency of the fundamental oscillation of the measuring signal takes place in order to obtain higher-level harmonics. to be able to be in the middle (cf. the older German patent application P 44 20 348.9).
  • i (k) can be represented by the following relationship (3)
  • KE is a correction variable, which is characterized by the following relationship
  • M / 4 denotes the mathematically exact rms value resulting in - in the assumed example - 16.5 samples in one period.
  • Figure 1 shows in the form of the curve K2 the course of the error in the correction made.
  • the correction equation is generalized
  • An arrangement for carrying out the method according to the invention contains on the input side a scanning device 1 which is supplied with a periodic electrical measurement signal U at its input 2, the effective value of which is to be determined.
  • the scanning device 1 is followed by an analog-digital converter 2, which in turn is followed by a computing module 3.
  • the sampled values supplied by the scanning device 1 are squared, summed up and averaged, as can be seen from the above relationships.
  • the correction element KE is also formed and thus a measured variable M is generated at the output 4, which reproduces the effective value of the electrical measurement signal U at the input of the scanning device 1.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum digitalen Bestimmen des Effektivwertes eines periodischen elektrischen Meßsignals, bei dem das Meßsignal während einer von der Periodendauer des Meßsignals abweichenden Abtastintervall-Dauer abgetastet wird und die Abtastwerte nach Analog-Digital-Wandlung quadriert, aufsummiert und gemittelt werden. Der sich ergebende Mittelwert wird radiziert. Um möglichst schnell mit hoher Genauigkeit den Effektivwert bestimmen zu können, erfolgt erfindungsgemäß bei einer zwei Perioden des elektrischen Meßsignals (U) entsprechenden Abtastintervall-Dauer mit M ungeradzahligen Abtastungen bei N in eine Periode des Meßsignals (U) fallenden Abtastwerten eine Quadrierung und Aufsummierung der Werte bis einschließlich des (N-1)-ten Abtastwertes; dazu wird eine Korrekturgröße (KG) addiert, die dem Quadrat einer Untersumme entspricht, die aus einem Viertel des (N-1)-ten Abtastwertes und aus drei Vierteln des N-ten Abtastwertes gebildet ist, mit N = (M-1)/2. Anschließend erfolgt eine Mittelung über N+1 Abtastwerten.

Description

Beschreibung
Verfahren zum digitalen Bestimmen des Effektivwertes eines periodischen elektrischen Meßsignals
Es ist unter anderem aus dem Buch von H. Germer und N. efers "Meßelektronik", Band 2, 2. Auflage, 1990, Seite 15 bekannt, daß sich auf digitale Weise über Abtastwerte eines periodi¬ schen elektrischen Meßsignals der Effektivwert des Meßsignals nach folgender Gleichung (1) bestimmen läßt:
JV-l
'•&P® (1) fc=0
In dieser Gleichung bezeichnet I den Effektivwert des peri- odischen elektrischen Meßsignals, N die Anzahl der Abtastun¬ gen pro Periodendauer des elektrischen Meßsignals und i(k) den jeweiligen Abtastwert.
Aus dem genannten Buch ist es ferner bekannt, daß sich ver- hältnismäßig große Fehler beim Bestimmen des Effektivwertes eines periodischen elektrischen Meßsignals dann ergeben, wenn die Abtastintervalldauer von der Periodendauer des Meßsignals stark abweicht. Um dennoch bei den Unterschieden zwischen Ab¬ tastintervall- und Periodendauer den Effektivwert eines periodischen elektrischen Meßsignals mit relativ hoher Genau¬ igkeit bestimmen zu können, ist es aus der DE 41 22 399 AI bekannt, das Abtastintervall in bezug auf das elektrische Meßsignal um jeweils einen Taktzyklus zu verschieben und aus den jeweils so gewonnenen Abtastwerten jeweils entsprechende Effektivwerte zu ermitteln. Aus den so gewonnenen Effektiv¬ werten wird ein Mittelwert bestimmt, der frequenzunabhängig den Effektivwert des Meßsignals angibt.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum digitalen Bestim- men des Effektivwertes eines periodischen elektrischen Meßsi- gnals aus, bei dem das Meßsignal während einer von der Peri¬ odendauer des Meßsignals abweichenden Abtastintervall-Dauer abgetastet wird, die Abtastwerte nach Analog-Digital-Wandlung in einem Rechenbaustein quadriert, aufsummiert und gemittelt werden und der sich ergebende Mittelwert radiziert wird, und stellt sich die Aufgabe, schnell - nach einer Periode des Meßsignals - und mit hoher Genauigkeit den Effektivwert des periodischen elektrischen Signals zu bestimmen.
Zur Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einer zwei Perioden des elektrischen Meßsignals entsprechenden Ab¬ tastintervall-Dauer mit M ungeradzahligen Abtastungen bei N in eine Periode des Meßsignals fallenden Abtastwerten eine Quadrierung und Aufsu mierung der Werte bis einschließlich des (N-l)-ten Abtastwertes; zu der so gebildeten Summe wird ein Betrag als Korrekturgröße addiert, der dem Quadrat aus einer Untersumme entspricht, die aus einem Viertel des (N-l)- ten Abtastwertes und aus drei Vierteln des N-ten Abtastwertes gebildet ist, wobei N = (M-D/2 ist, und es erfolgt die Mittelung über N+l Abtastwerten.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be¬ steht darin, daß trotz eines Unterschiedes zwischen der Ab¬ tastintervall- und der Periodendauer des Meßsignals bereits nach einer Periode des elektrischen Meßsignals der Effektiv¬ wert des periodischen elektrischen Meßsignals mit hoher Ge¬ nauigkeit bestimmbar ist, weil der sich nach einer Periode des elektrischen Meßsignals aus den Abtastwerten ohne weite¬ res errechenbare (fehlerbehaftete) Effektivwert korrigiert wird. Damit lassen sich in vorteilhafter Weise Abtastwerte zur Effektivwertbestimmung heranziehen, die im Hinblick auf andere Meßaufgaben bezüglich des periodischen elektrischen Meßsignals so gebildet sind, daß eine Abtastung mit einem nichtganzzahligen Mehrfachen der Frequenz der Grundschwingung des Meßsignals erfolgt, um Oberschwingungen höherer Art er- mittein zu können (vgl. die ältere deutsche Patentanmel¬ dung P 44 20 348.9) .
Zur Erläuterung der Erfindung wird davon ausgegangen, daß beispielsweise bei einem periodischen elektrischen Meßsignal, das aus dem Strom oder der Spannung in einem elektrischen Energieversorgungsnetz abgeleitet ist, während zwei Perioden der Netzgrößen M Abtastungen vorgenommen werden, wobei M ganzzahlig und ungerade ist. Kann im Hinblick auf eine not¬ wendige schnelle Ermittlung eines Effektivwertes nur eine Meßdauer von einer Netzperiode zugelassen werden, dann ergibt sich rein mathematisch für N Abtastungen pro Periode
N = M/2 (2)
Macht man ferner bei aus Netzströmen oder Netzspannungen ge¬ wonnenen periodischen elektrischen Meßsignalen den zulässigen Ansatz, daß i(k) durch folgende Beziehung (3) dargestellt werden kann
.... (4πk ι(fc)=cosl—+φ|, (3)
und setzt man die Beziehung (3) in die Gleichung (1) ein, dann ergibt sich nach einer elementaren Rechnung die Glei¬ chung (4)
Figure imgf000005_0001
Für N = M/2 folgt aus der Gleichung (4) für den Effektivwert
(5)
Figure imgf000005_0002
Wählt man beispielsweise M = 33, werden also in zwei Perioden eines aus einem Netzstrom oder einer Netzspannung abgeleite¬ ten periodischen elektrischen Meßsignals 33 Abtastungen vor¬ genommen, dann würde sich der in Gleichung (5) angegebene Effektivwert nur dann ermitteln lassen, wenn 16,5 Abtastungen pro Periode des elektrischen Meßsignals ausgewertet werden. Eine solche Zahl von Abtastungen läßt sich aber technisch nicht durchführen; beispielsweise können nur N = 16 Abtastun¬ gen in einer Periode berücksichtigt werden. Dann ergibt sich aber - wie eine Fehlerabschätzung zeigt - ein maximaler Feh¬ ler von 1,6 %, wie der Kurve Kl der Figur 1 entnehmbar ist. Ein solcher Fehler ist bei vielen Meßaufgaben nicht hinnehmbar.
Deshalb wird gemäß der Erfindung von folgender Gleichung (6) ausgegangen
Figure imgf000006_0001
in der mit KE eine Korrekturgröße bezeichnet ist, die sich durch folgende Beziehung
Figure imgf000006_0002
darstellen läßt. In dieser Gleichung (7) bezeichnet M/4 den sich mathematisch exakt bei - in dem angenommenen Beispiel - 16,5 Abtastungen in einer Periode ergebenden Effektivwert. Davon ist der Klammerausdruck abzuziehen, wenn N = 16, also 17 Abtastungen berücksichtigt werden.
Setzt man in die Gleichung (7) die Werte für M = 33 und N = 16 ein, dann ergibt sich für die Korrekturgröße KE eine Beziehung, wie sie in der nachfolgenden Gleichung (8) aufgeführt ist:
Figure imgf000007_0001
Da der Quotient der beiden Sinuswerte in der Beziehung (8) etwa - 0,5 beträgt, kann die Korrekturgröße KE auch durch folgende Beziehung (9) ausgedrückt werden
∞-±+±coβ(* l5-^ (9)
Diese Gleichung (9) ist aber nicht ohne weiteres bei der Be¬ stimmung des Effektivwertes verwendbar, weil ein Abtastwert bei k = 7,5 nicht vorliegt. Daher erfolgt eine Interpolation. Dabei wird, um auch bei geradzahligen OberSchwingungen den Effektivwert möglichst genau bestimmen zu können, folgende Periodizität ausgenutzt:
Figure imgf000007_0002
(10) Da bei k = 15,75 ein Abtastwert nicht vorliegt, wird folgende Interpolation vorgenommen:
i(15,75) = 0,25:1(15) + 0,751(16) (11)
Unter Berücksichtigung der Beziehung (6) kann dann für den korrigierten Effektivwert Ikor folgende Beziehung aufgestellt werden
Figure imgf000007_0003
Figur 1 zeigt in Form der Kurve K2 den Verlauf des Fehlers bei der vorgenommenen Korrektur. Verallgemeinert ergibt sich die Korrekturgleichung
Figure imgf000008_0001
Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens enthält eingangsseitig eine Abtasteinrichtung 1, die an ihrem Eingang 2 mit einem periodischen elektrischen Meßsignal U beaufschlagt ist, dessen Effektivwert bestimmt werden soll. Der Abtasteinrichtung 1 ist ein Analog-Digital-Wandler 2 nachgeordnet, dem wiederum ein Rechenbaustein 3 nachgeordnet ist. In diesem Rechenbaustein 3 werden die von der Abtastein¬ richtung 1 gelieferten Abtastwerte nach Digitalisierung qua¬ driert, aufsummiert und gemittelt, wie es die obigen Bezie¬ hungen erkennen lassen. Es wird auch das Korrekturglied KE gebildet und somit am Ausgang 4 eine Meßgröße M erzeugt, die den Effektivwert des elektrischen Meßsignals U am Eingang der Abtasteinrichtung 1 wiedergibt.

Claims

Patentanspruch
Verfahren zum digitalen Bestimmen des Effektivwertes eines periodischen elektrischen Meßsignals (U) , bei dem - das Meßsignal (U) während einer von der Periodendauer des Meßsignals (U) abweichenden Abtastintervall-Dauer ab¬ getastet wird, die Abtastwerte nach Analog-Digital-Wandlung in einem Rechenbaustein (3) quadriert, aufsummiert und gemittelt werden und
- der sich ergebende Mittelwert radiziert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einer zwei Perioden des elektrischen Meßsignals (U) entsprechenden Abtastintervall-Dauer mit M ungeradzahligen Abtastungen bei N in eine Periode des Meßsignals (U) fallenden Abtastwerten eine Quadrierung und Aufsummierung der Werte bis einschließlich des (N-l)-ten Abtastwertes erfolgt, zu der so gebildeten Summe ein Betrag als Korrekturgröße (KE) addiert wird, der dem Quadrat aus einer Untersumme entspricht, die aus einem Viertel des (N-l)-ten Abtastwer¬ tes und aus drei Vierteln des N-ten Abtastwertes gebildet ist, wobei
- N = (M - 1) 12 ist, und - die Mittelung über N+l Abtastwerten erfolgt.
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