DE69126739T2

DE69126739T2 - Digitale Messung des elektrischen Energieverbrauches

Info

Publication number: DE69126739T2
Application number: DE69126739T
Authority: DE
Inventors: Richard L Longini
Original assignee: Individual
Current assignee: Vectormetrics inc Pittsburgh Pa Us
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2011-04-19
Also published as: EP0454360A1; CA2040282C; CA2040282A1; JPH04230870A; US5061890A; EP0454360B1; JP3312167B2; DE69126739D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein digitales Energiemeßgerät und im besonderen ein verbessertes digitales elektrisches Energieverbrauchsmeßgerät, das die aktuelle Messung des Momentanstroms nicht benotigt, um Energieverbrauchsmessungen von überdurchschnittlicher Genauigkeit zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung von Energie, die von einer Belastung verbraucht wird, die mit einer elektrischen Übertragungsleitung verbunden ist, die wiederum mit einer Wechselstromquelle oder -versorgung verbunden ist. Typische Beispiele können die Wechselstromversorgung für ein Haus oder Wohnhaus in Form eines Einphasen-Wechselstroms oder für einen kommerziellen oder industriellen Verbraucher in Form einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Technik von digitalen Verbrauchsmeßgeräten für elektrische Energie, die im allgemeinen gewünscht werden, da ein wirkungsvolles digitales Meßgerät normalerweise eine größere Meßgenauigkeit bei geringeren Herstellungskosten und die Fähigkeit einfacher Fernablesung des Energieverbrauchs über viele Meilen entfernt von dem Meßgerät ermöglicht, indem die digitale Information über Radiowellen oder Telefonleitungen oder dergleichen abgelesen wird.
Die Spannungsversorgung ändert sich über der Zeit annähernd sinusförmig. Der gelieferte Strom variiert jedoch über der Zeit abhängig von der Art der Belastung und der Steuerungen, die die Belastung regulieren. Beispielsweise kann der Strom sinusförmig verlaufen, wenn die Belastung aus einem Heizelement mit einigen induktiven Merkmalen besteht. Die Stromwellenform deckt sich in der Regel von Moment zu Moment nicht mit der Spannungswellenform, sondern wird leicht verzögert, wobei sie eine Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der Spannung verursacht. Zusätzlich ergeben sich aus gewissen Belastungssteuerungen wie Halbleitersteuerungen, so zum Beispiel Halbleiterlichtdimmern nichtsinusförmige Stromwellenformen.
Die momentane Leistung ist in jedem Moment Spannung mal Strom. Die effektive Leistung ist das Integral der momentanen Leistung über die Zeit dividiert durch die Zeit, über die integriert wird. Derzeit bekannte digitale Meßgeräte leiten diese aus Leistungssofortmessungen ab. Energieverbrauchsmeßgeräte (Wattstunden-Meßgeräte) ergeben das Leistungsintegral über die Zeit oder nur das Integral einer augenblicklichen Leistung über die Zeit, ohne die oben erwahnte Division.
Bei Leistungsmeßverfahren messen digitale Meßgeräte aus dem Stand der Technik den Strom und die Spannung separat, aber simultan und multiplizieren die Strom- und Spannungswerte, um eine Momentleistung zu erzeugen und summieren dann die Ergebnisse, um Wattstunden zu ergeben. Die Werte von Spannung und Strom müssen für diese Funktion jeweils digitalisiert werden. Um Gleichzeitigkeit zu erreichen, verwendet die einfache Lösung zwei Digital/Analogumwandler, um diese beiden Messungen von Spannung und Strom durchzuführen, wodurch die Herstellungskosten steigen.
Zwei Schwierigkeiten von grundlegender Wichtigkeit treten bei der Ausführung bekannter Typen digitaler Wattstundenmeßgeräte auf Erstens sind simultane Ablesungen von Spannung und Strom kostenaufwendiger als separat aufgenommene Ablesungen, und es liegt nahe, daß Kosten bei einem absoluten Minimalwert gehalten werden müssen, wenn sie für Meßgeräte eingesetzt werden, die in großen Mengen verwendet werden sollen. Zweitens ist die Messung einer Spannung einfach und sehr billig, wobei eine einfache Widerstandsbrücke oder etwas Derartiges verwendet wird, während Strom in einer Leitung oder einem Leiter gemessen wird, der von einer Brdungsrücklaufleitung über eine Hochspannung getrennt ist, und direkte Stromablesungen sind kostspielig.
Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eliminieren diese Schwierigkeiten und schaffen ein digitales Wattstundenmeßgerät von überdurchschnittlicher Genauigkeit, das zu akzeptablen Kosten hergestellt werden kann.
Das Patent CH-C-551 627 offenbart eine Vorrichtung zum Erhalten verschiedener Leistungsmessungen einer elektrischen Stromquelle. Die dauernden Strom- und Spannungsablesungen von der Stromquelle werden in eine entsprechende Fourier-Reihe umgewandelt und die Fourier-Komponenten werden kombiniert, um die Leistungsmessungen zu bestimmen. Beispielsweise wird die aktive Leistungsmessung berechnet, indem die Produkte jeder Fourier-Komponente in der Stromreihe und die korrespondierende Komponente in der Spannungsreihe addiert werden.
Die WO-A-83 03 011 offenbart einen elektrischen Meßumformer, der periodisch simultane Messungen des Stroms und der Spannung einer Energieversorgungsleitung durchführt. Die Messungen werden in Digitalwerte umgewandelt und kombiniert, um Leistungswerte darzustellen.
Die WO-A-86 06 497 offenbart eine Vorrichtung zum Messen des Stromverstärkungsfaktors eines Stromumwandlers. Es enthält einen Strommeßkopf mit einem gespaltenen Kern, der um eine im Betrieb befindliche Leistungsleitung herum angeordnet werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Energieverbrauchs von einer Übertragungsleitung, die mehrere Übertragungsleitungsleiter aufweist, die Wechselstrom führen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Messen der Zeitableitung des magnetischen Felds, das durch den elektrischen Strom induziert wird, der in jedem der Übertragungsleitungsleiter fließt;
mathematisches Annähern der Zeitableitung des in jedem Leiter fließenden Stroms durch Ausdrücken der gemessenen Zeitableitung des magnetischen Felds durch eine algorithmische Reihe zum Ausdrücken zyklischer Phänomene;
Messen der Spannung zwischen jedem Leiter und einem Masseleiter der Übertragungsleitung; digitales Berechnen einer Näherung der über die Übertragungsleitung gelieferten Leistung durch Berechnung eines Leistungsablesewertes für jeden Leiter aus der Zeitableitung des Stroms, wie sie durch die algorithmische Reihe dargestellt wird, und aus der Spannungsmessung; und
Aufsummieren aufeinanderfolgender Näherungswerte der Leistung, um eine Zahl zu erhalten, die proportional zur über die Übertragungsleitung verbrauchtn Energie ist.
Die Erfindung schafft weiterhin ein digitales Meßgerät zum Messen des elektrischen Energieverbrauchs von einer Übertragungsleitung mit mehreren Übertragungsleitungsleitern, die Wechselstrom führen, wobei das Meßgerät folgende Merkmale aufweist:
Einen Aufnehmer zum Messen der Zeitableitung des magnetischen Felds, das vom elektrischen Strom in jedem der Leiter induziert wird, wodurch ein Ablesewert proportional zur Zeitableitung des Stromflusses erhalten wird;
Spannungsmeßeinrichtungen zum Messen der Spannung zwischen jedem Leiter und einem Masseleiter der Übertragungsleitung; und
digitale Berechnungseinrichtungen, die mit dem Aufnehmer und der Spannungsmeßeinrichtung verbunden sind und zur Darstellung der Zeitableitung des Stroms mit einer algorithmischen Reihe zum Ausdrücken zyklischer Phänomene programmiert ist; zum Berechnen einer Annäherung der durch die Übertragungsleitung zugespeisten Leistung, in dem ein Leistungsablesewert für jeden Leiter von der Zeitableitung des Stroms berechnet wird, wie er in der algorithmischen Reihe und aus der Spannungsmessung ausgedrückt wird; und zum Aufsummieren aufeinander folgender Näherungen der Leistung, um eine zur über die Übertragungsleitung verbrauchten Energie proportionale Zahl zu erhalten.
Die Wattstundenmeßeinrichtung der vorliegenden Erfindung ist ausschließlich digital. Analoge Spannung und analoge Messung der Magnetfeldänderungen werden in digitale Ablesewerte umgewandelt und so behandelt, daß sie direkte Kilowattstunden oder andere gewünschte Energieverbrauchsablesewerte ergeben. Es ist keine Hardwareintegration des Änderungsfaktors des magnetischen Felds beteiligt. Anders als existierende digitale und nichtdigitale Meßgeräte ist der Strom oder die Stromableitung, die in den Berechnungen für das Meßgerät der vorliegenden Erfindung verwendet werden, nicht der echte Strom oder die echte Stromableitung, sondern tatsächlich eine mathematische Näherung oder ein Pseudostrom oder eine Pseudostromableitung, die eine Näherung an den echten Strom oder die echte Stromableitung sind, und wird durch Anwendung einer algorithmischen Reihe, zum Beispiel der Fourier- Reihe, erreicht, die die Möglichkeit hat, zyklische pHänomene auszudrücken und eine Reihe von Funktionen einsetzt, die möglicherweise orthogonal sind. Während die Fourier-Reihe derzeit als die beste Möglichkeit bekannt ist, diesen Ausdruck darzustellen, ist zu beachten, daß andere zyklische oder orthogonale Ausdrückungen veröffentlicht wurden und von kompetenten Mathematikern noch weitere geschaffen werden können, und deshalb soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Fourier-Reihe beschränkt sein, da es leicht sein kann, daß die anderen algorithmischen Reihen in ähnlicher Weise brauchbar sind.
Der Strom oder die Stromableitung, die bei den Berechnungen des Meßgeräts der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind nicht der wahre Strom. Jedoch sind sie tatsächlich eine mathematische Näherung des Stroms oder der Stromableitung, wobei eine algorithmische Reihe, zum Beispiel die Fourier-Reihe niedriger Ordnung, eingesetzt wird. Die von dem magnetischen Feld abgenommene Spannung, die von dem Strom in einer Leitung oder in einem Leiter produziert wird, ist proportional dem Anderungsfaktor (Zeitableitung) des Stroms statt zum Strom selbst. Sie muß integriert werden, wenn man eine Annäherung des Stroms selbst bestimmen muß. Wenn eine Ableitung als algorithmische Reihe oder Fourier- Reihe ausgedrückt wird, was der Technik entspricht, die in der detaillierten Beschreibung der Erfindung diskutiert wird, dann können die Integration oder andere zum Berechnen des Energieverbrauchs nötige Berechnungen äußerst einfach sein, wie im Folgenden zu erkennen sein wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die gelieferte Energie mathematisch als das Integral der berechneten Momentzeitableitung des Stroms mal der simultan abgenommenen Momentanspannung sein. Das ist ein berechneter oder Pseudostrom und nicht der tatsächliche Momentanstrom. Wenn jeder dieser Pseudostromablesewerte als eine algorithmische oder Fourier-Reihe ausgedrückt wird, sieht man sehr einfach, daß alle Kreuzterme (Zwischenfrequenzen) im Produkt herausfallen. Außerdem bleibt die Spannungswellenform, wie sie vom Energieversorgungstransformator geliefert wird, nahezu sinusförmig, wobei sie von den verschiedenen Belastungen im System nicht besonders verformt wird. Die Verformung ist in der Regel weit geringer als die der Stromwellenform. Die Spannungswellenform wird für Berechnungszwecke nicht in einer algorithmischen oder Fourier-Reihe ausgedrückt.
Die Spannungswellenform enthält gewöhnlicherweise nur einen geringen harmonischen Anteil und keine direkte Stromkomponente. Die geradzahligen harmonischen Oberschwingungen der Leistung werden in der Regel als niedrig betrachtet, da sie das Ergebnis einer Nichtbalance zwischen den beiden Hälften der Spannungs- und der Stromwellenform sind. Für die übliche Genauigkeit des sich ergebenden Meßgerätes ist eine Verwertung geradzahliger harmonischer Oberschwingungen in der Berechnung der Spannungswellenform möglicherweise nicht notwendig. Die erforderliche Genauigkeit des sich ergebenden Meßgeräts erfordert deshalb nicht unbedingt den Einschluß geradzahliger harmonischer Oberschwingungen bei der Berechnung der Stromwellenform. Die Berechnungen sind natürlich vereinfacht, wenn diese vernachlässigt werden.
Ebenso muß aufgrund der folgenden Überlegungen kein Versuch gemacht werden, die beim Strom in vielen Anwendungen festgestellten Hochfrequenzen zu verdoppeln. Ein Ergebnis der harmonischen Analyse ist das Verständnis, daß Kreuzterme in der Frequenz zwischen Spannung und Strom keine Leistung ergeben. Somit müssen keine Hochfrequenzkomponenten für die Stromwellenform berechnet werden, da die Hochfrequenzkomponenten vom Werk gelieferter Spannungen sehr viel niedriger sind. Wenn keine harmonischen Oberschwingungen in der Stromwellenform benötigt werden, werden auch in der abgeleiteten Wellenform keine benötigt. Das heißt, daß die algorithmische oder Fourier-Reihe, die die Aufnehmerspannung aus abgeleiteten Stromablesewerten beschreibt, keinen hohen Oberschwingungsanteil haben muß, trotz der hohen Oberschwingungsanteile, die tatsächlich in der Stromspannungsableitung gefunden werden.
Die algorithmische oder Fourier-Reihe, die als Basis für die vorliegende Offenbarung verwendet wird, ist für alle zyklischen pHänomene zum Zweck der Darstellung derselben einsetzbar. Theoretisch ist dies nur dann vollkommen richtig, wenn die zyklischen Phänomene unendlich lang oder über vorgeschriebene endliche Grenzen hinweg zyklisch sind. Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird dies gemäß der vorgeschriebenen endlichen Grenzen verwendet, jedoch nicht unbedingt. Beispielsweise kann ein 32er oder 64er Ablesewertzyklus eingesetzt werden und als ein vorgeschriebener Arbeitsbereich angenommen werden. Dies kann in einer Feedbacktechnik angewendet werden, um eine zuvor bestimmte Serie zu modifizieren. Zu Beginn gibt es natürlich keine vorherige Reihe. In diesem Fall kann sie direkt verwendet werden, um Koeffizienten der algorithmischen Reihendarstellung zu erhalten, als ware eine "zuvor bestimmte Reihe" Null gewesen. Statt Verwendung einer Einstellungsvorrichtung für eine zuvor bestimmte Reihe werden nach jedem 32er oder 64er Ablesezyklus neue Koeffizienten bestimmt. Dieses "Nichtvergleichs-"Ausführungsbeispiel ist, da nicht benötigt, eindeutig und spart einen beträchtlichen Rechenaufwand und ist deshalb gewollt.
Eine Stromreihe kann in einfacher Weise aus einer Stromspannungsableitungsreihe abgeleitet werden, indem Term für Term integriert wird. Die Integration einer Fourier-Reihe beinhaltet das Austauschen des Kosinus mit dem Sinus und -Sinus mit Konsinus und das Teilen durch die Zahl der Oberschwingungen. So wird bei dieser Integration keine einzige schwierige Berechnung benötigt. Es ist, obwohl der Strom für sich nicht benotigt wird, sein Wert leicht verfügbar.
Die Spannungsablesewerte bei diesem einen Ausführungsbeispiel werden nicht in einer Reihe oder algorithmischen Reihe ausgedrückt, sondern können als eine Reihe angenommen werden, bei der alle Komponenten genau bestimmt sind. Das Produkt von Strom und Spannung kann deshalb als das Produkt zweier Reihen angenommen werden, obwohl einer der Faktoren nie als Reihe ausgedrückt wurde. Die Tatsache, daß die sogenannte Spannungsreihe viel mehr Terme hat als die Stromreihe, ist nicht bedeutsam, da fehlende Komponenten mit Nullkomponenten identisch sind und sich natürlich das Produkt einer von Null verschiedenen Spannungsreihenkomponente mit einer Nullkomponente der Stromkomponente sich zu Null ergibt.
Wenn der analytische Ausdruck für Strom vorliegt, kann der Strom für die Zeit (entweder in der Zukunft oder für die Vergangenheit) einer tatsächlichen Spannungsmessung abgeschätzt werden. Ein simultanes Ablesen dieser beiden könnte wesentlich teurer sein, insbesondere dann, wenn die Kosten bei einem absoluten Minimum gehalten werden müssen. Somit können der Pseudostrom und die Pseudospannung ziemlich unabhängig voneinander gemessen werden und noch Ergebnisse bringen, als ob die Ablesungen simultan durchgeführt worden wären. Bei dieser Anordnung wird der Strom für einige Millisekunden vor oder direkt danach zu einem Zeitpunkt berechnet, in dem eine Spannungsablesung erfolgen muß oder erfolgt ist. Wenn die Spannungsablesung oder -ablesungen tatsächlich stattfinden, wird sie oder werden sie und der Pseudo- oder berechnete Zukunfis- oder Vergangenheitsstrom oder derartige Ströme in der Energieberechnung als simultane Ablesungen behandelt. Wenn die Spannungsablesungen zuerst durchgeführt werden, werden sie entsprechend mit der zugehörigen Zeit gespeichert. Wenn die Ströme für die entsprechenden Spannungszeiten berechnet worden sind, werden die Spannungsablesungen aus dem Speicher genommen und unter der Annahme, daß Spannung und Strom simultan abgelesen wurden, wird die Leistung berechnet.
Es gibt mehr als einen Weg, um die verbrauchte Energie mit dem Digitalmeßgerät der vorliegenden Erfindung zu berechnen, wobei man immer noch ihrer Lehre folgt. Beispielsweise müssen, anders als bei der zuvor erwahnten Berechnungsmethode, nicht nur der Strom und die Spannung nicht simultan gemessen werden, sondern es ist bei einem alternativen Ausführungsbeispiel zusätzlich nicht erforderlich, daß das eine berechnet werden muß für den Zeitraum, in dem die Messung für das andere vorliegt. In anderen Worten, es ist zum Beispiel bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sogar nicht immer nötig, einen abgeschätzten Zukunfts- oder Vergangenheitswert oder Werte des angenäherten Stroms zu berechnen, ausgedrückt in einer algorithnnischen Reihe für eine ausgewählte zukünftige oder vergangene Spannungsablesungszeit oder -zeiten.
Alternativ kann der Energieverbrauch ebenfalls erhalten werden durch Ausdrücken oder Darstellen der Spannungsaufnahmemessung in einer algorithmischen Reihe zum Ausdrücken zyklischer pHänomene (wie dies für den Aufnehmer des magnetischen Feldes getan wird, der die Zeitableitung des Stromflusses ausdrückt) und dann wird der Mikrocomputer oder der Mikroprozessor (eine Berechnungseinrichtung) außerdem programmiert, um die Koeffizienten von Sinus und Kosinus für jede harmonische Oberschwingung in den Ausdrücken der Stromableitung und der algorithmischen Reihe für die Spannung separat zu multiplizieren. Die Koeffizienten der Sinusreihe, die die Spannung darstellen, werden mit den Koeffizienten der Kosinusreihe, die die Stromableitung darstellen, multipliziert. Die Koeffizienten der Kosinusreihe, die die Spannung darstellen, werden mit dem Negativwert der Koeffizienten der Sinusreihe, die den Strom darstellt, multipliziert. Diese werden Oberschwingung für Oberschwingung aufsummiert und durch die Anzahl der Oberschwingungen geteilt. Danach wird ein Summationsschritt durchgeführt, indem die oben beschriebenen Ergebnisse addiert werden und die Summe halbiert wird, um einen Zahlenwert zu ergeben, der proportional zur über die Leiter verbrauchten Energie ist.
Die algorithmischen oder Fourierkoeffizienten können in Realzeit durch eine Reihe von Einstellungen erhalten werden, indem die neue zuvor diskutierte Feedbacktechnik angewendet wird. Die Ablesungen des Änderungsfaktors des magnetischen Felds (Stromableitung) werden, wenn sie abgenommen sind, mit denen verglichen, die mittels der algorithmischen oder Fourierreihe errechnet wurden. Die Abweichung der berechneten Ergebnisse von den tatsächlichen Stromableitungsablesungen werden festgestellt. Diese Abweichungen sind die Grundlage für die Einstellungen, die durchgeführt werden, um diese zu reduzieren. Da keine höheren Oberschwingungen berücksichtigt werden, hat der berechnete Ableitungswert einen Fehler. Dieser Fehler zeigt sich als ein Geräusch. Er wird eine Veränderung der Fourierkomponentengröße bewirken, jedoch nicht zu einem akkumulierten Fehler in der Aufsummierung führen. Der Fehler wandert mehr oder weniger und tendiert dazu, sich selbst aufzuheben. In anderen Worten, der Fehler liegt in beiden Richtungen vor und löst sich letztendlich für alle praktischen Zwecke auf.
Wie zuvor angemerkt wurde, können Gruppenablesungen statt Einzelablesungen durchgeführt werden. Wenn für eine Gruppe von Ablesungen, statt nur für eine Ablesung Einstellungen gemacht werden, und wenn die Zahl der Ablesungen in einer Gruppe nicht sehr groß ist, konvergiert das Einstellungssystem nicht zu stabilen Werten, auch wenn die Situation stabil und geräuschfrei ist. Statt dessen bewegen sich die für den Strom berechneten Werte um den richtigen Wert herum. Das Integral der Leistung über der Zeit wird von diesen "wandernden" Fehlern nicht wesentlich beeinflußt.
Ebenfalls können als Alternative zur Vereinfachung der Berechnungen die Werte der Zeitableitungen des magnetischen Feldes, die über die zuvor erhaltene Reihe berechnet wurden, für diesen Vergleichsprozeß als Null angenommen werden, so daß diese neue Gruppe von Ablesewerten direkt verwendet werden kann, um neue Koeffizienten einer algorithmischen Reihe zu erhalten,wie es bei einem Neustart der Fall sein würde.
Die Messungen einer Anderungsrate des magnetischen Feldes (Stromableitung) werden in zahlreichen, jedoch nicht notwendigerweise gleichen Abständen durchgeführt. Nach jeder Ablesung oder nach jeder Gruppe von Ablesungen können Einstellungen für jeden einzelnen Koeffizienten der algorithmischen oder Fourierreihe durchgeführt werden. Somit muß der Algorithmus bestimmen, wie groß die Korrektur jedes Koeffizienten sein muß.
Man möchte auch unerwünschtes Rauschen des Magnetfeldaufnehmers (Zeitableitung des Stromflusses) und des Spannungsaufnehmers herausfiltern, um Geräusche zu entfernen, die sich in anderer Weise mit richtigen Meßfunktionen stören könnten. Um dies zu erreichen, werden diese zwei Aufnehmersignale entweder mit passiven oder aktiven Filtern gefiltert. Beispiele einsetzbarer passiver Filter könnten einfache RC-Schaltungen oder Diodenbegrenzer sein. Offenbar kann eine Kombination derartiger Elemente ebenfalls eingesetzt werden.
Wenn die Spannungs- und die Magnetfeldaufnehmer gefiltert werden, werden sie so gefiltert, daß sie identische Phasenverschiebungen ergeben. Danach werden die zuvor beschriebenen Berechnungen durchgeführt, wobei eine algorithmische oder Fourierentwicklung auf die Magnetfeldaufnehmer oder auf beide, nämlich die Magnetfeldaufnehmer und die Spannungsaufnehmerausgangswerte angewendet wird.
Wenn die algorithmische oder Fourierentwicklung nur auf den Magnetfeldaufnehmer angewendet wird, wird danach jeder Oberschwingungskoeffizient des Magnetaufnehmers mit dem geeigneten Faktor multipliziert, um magnetische Aufnehmerunterdrückung und die korrespondierende Spannungsaufnehmerunterdrückung zu korrigieren, und dann wird das Verfahren fortgeführt, wie zuvor beschrieben wurde.
Wenn der Spannungsaufnehmer und der Magnetfeldaufnehmer mit Filtern gefiltert werden, die identische Phasenverschiebungen und -unterdrückung ergeben, im folgenden identische Filter genannt, kann die algorithmische oder Fourierentwicklung auf diesen Ausgangswert angewendet werden, und danach werden die Spannungs- und Magnetaufnehmerausgangsoberschwingungswerte jeweils mit den Faktoren multipliziert, um die bekannte Unterdrückung, der jeder unterworfen war, zu kompensieren, und dann wird das Verfahren, wie zuvor beschrieben, fortgeführt.
Als eine weitere Alternative können, nachdem die Meßgeräteingangswerte mit identischen Filtern gefiltert wurden, die Ausgangswerte für jede betroffene Oberschwingung durch den Unterdrückungsfaktor dieser Oberschwingung geteilt werden, wonach das Verfahren wie zuvor beschrieben fortgeführt wird.
Als ein weiteres Beispiel einer Filterung können der Spannungsaufnehmer und der Magnetfeldaufnehmer gefiltert werden, um identische Phasenverschiebungen zu ergeben, und dann wird die algorithmische oder Fourierentwicklung nur auf den Magnetaufnehmerausgang angewendet. Danach wird jeder Oberwellenkoeffizient des Magnetaufnehmers durch das Quadrat seiner Unterdrückung dividiert, um ihn und den korrespondierenden Spannungsaufnehmer zu korrigieren, der nicht in harmonische algorithmische Form gesetzt oder gebracht worden war. Danach wird der Berechnungsprozeß fortgeführt, wie zuvor beschrieben wurde, um den Energieverbrauchsablesewert zu erreichen.
Es ist wünschenswert, daß das Timing der Pseudostrom- und Pseudospannungsmessungen unabhängig ist von den Nulldurchgängen (der Spannung oder des Stroms) des aktuellen Energiesystems. Wenn das Timing elektronisch erzeugt wird, fallen die Zykluslängen der Grund- und aller Oberschwingungen nicht mit den aktuellen Längen im Energiesystem zusammen. Dies verursacht im Laufe der Zeit eine geringe, jedoch dauernde Phasenverschiebung. Bei den vorgeschlagenen Einstellungsverfahren ist dies kein Problem, jedoch werden die hohen Oberschwingungen, die möglicherweise die niedrigsten einstellen, auch die schnellsten mit einer Phasenverschiebung beaufschlagen. Obwohl Präzision erwünscht ist, ist eine Zeitgenauigkeit von 1/20000 wahrscheinlich für Meßzwecke ausreichend. In den Fällen, in denen die Tageszeitinformation wichtig ist, kann der Mikrocomputer zum Beispiel einnnal im Monat automatisch zurückgesetzt werden, wenn die Meßgeräte für Abrechnungszwecke elektronisch abgelesen werden. Die 1/20000 erzeugen dann einen Fehler bei Anfang und Ende von Belastungszeiten von etwa maximal zwei Minuten. Eine größere Genauigkeit ist jedoch sehr teuer.
Die Messungen der Magnetfeldänderungen werden vorzugsweise mit einer kleinen Spule auf einem Spulenkörper durchgeführt, der wiederum mit einem Kern aus ferromagnetischem Material versehen ist. Der ferromagnetische Materialkem wird am besten aus einem Material geringer Remanenz hergestellt, wie zum Beispiel einem gegossenen Ferritmaterial der Art, wie er in Antennen von tragbaren Radiogeräten verwendet wird, und er läuft um den Leiter herum, von dem der Strom zu bestimmen ist. Wie zuvor angemerkt, führt der Kern durch die Spule. Der Kern muß auch so konstruiert werden, daß er niemals auch nur in die Nähe magnetischer Sättigung gerät. Um dies zu erreichen, kann er tatsächlich einen oder mehrere Luftspalten in sich aufweisen, da hohe Permeabilität nicht gewünscht ist. Er muß jedoch einen sehr niedrigen magnetischen Widerstand aufweisen, wie oben festgestellt wurde.
Der Kern des ferromagnetischen Aufnehmers gibt eine Hystereseschleife an, deren Breite eine magnetomotorische Kraft von etwa 16 Amperewindungen pro Meter der magnetischen Länge des Kerns benötigt, um auszulösen. Bei einem Magnetweg von 6 cm Länge benötigt er etwa eine Amperewindung, um die Remanenz zu überwinden. Um einen Reaktionsverlust auf niedrige Strombelastungen zu vermeiden und um die Verwendung eines 8-Bit A/D-Converters zu ermöglichen (es wird möglicherweise eine 10-Bit Genauigkeit benötigt, jedoch können 8- Bit A/D-Converter eingesetzt werden, um diese Genauigkeit zu erreichen). Eine zusätzliche Spule wird dem Spulenkörper zugefügt, der für den Stromableitungsaufnehmer verwendet wird. Diese Spule, die von einem zusätzlichen Oszillator angetrieben wird, der bei etwa 2000 Hz (keine Oberschwingung von 60 Hz) arbeitet, erzeugt etwa 0,1 Amperewindungen magnetmotorische Kraft, etwa wie bei einer Sägezahukurve, um diese magnetische Remanenz zu überwinden. Dies fügt auch ein 2000 Hz-Signal geringer Stärke zur Aufnehmerspannung hinzu.
Diese in der Aufnehmerspule addierte Spannung soll vorzugsweise von einer Stärke von etwa 1/32 des Spannungsaufnehmers für den vollen Skalenablesewert sein (in einem Energiesystem wäre dies etwa 2,82 mal die nominale volle Skalenablesung).
Wenn man unterstellt, daß das echte Signal, das in einen 0-5-Volt A/D-Converter hineingeht, nur ungefähr 0,01 Volt beträgt, würde man immer den Wert Null ablesen, während jeder digitalisierte Wert mit dem oben diskutierten zusätzlichen Signal fast dem entspricht, der zur Welle des kleinen zugefügten Signals gehört. Die Spannung wird vom aktuellen Signal moduliert, so daß, obwohl die Durchschnittsablesewerte über eine geringe Zeitspanne (auf einer 60 Hz-Basis) für das zusätzliche Signal allein bei etwa Null liegen, die Spannung nun etwa dem echten Wert des Signais entspricht. Somit lesen wir nun statistisch einen aus sagekräftigen Wert des echten Signals.
Auf diese Weise entfernt das zusätzliche Wechselstromsignal, das auf die zusätzliche Spule aufgebracht wird, sowohl das magnetische Problem und liefert das kleine aufgesetzte Signal für erhöhte Präzision.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Kombination eines schematischen Blockdiagramms und eines Flußdiagramms, das ein Ausführungsbeispiel der Lehre des Verfahrens und derVorrichtung der vorliegenden Erfindung erläutert.
Fig. 2 ist eine Kombination eines schematischen Blockdiagramms und eines Flußdiagramms, das eine Variation beim programmierten Mikroprozessor von Fig. 1 zeigt, wobei ein weiteres Ausführungsbeispiel der Lehre der vorliegenden Erfindung erläutert wird.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung die ein Ausführungsbeispiel des Filterabschnitts der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung darstellt.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die eine weitere Ausführungsform des Filterabschnitts der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung darstellt.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die eine Modifikation des in Fig. 1 dargestellten Aufnehmers des Magnetfeldänderungsfaktors darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nach der Zeichnung wird das elektrische Energieverbrauchsmeßgerät der vorliegenden Erfindung im wesentlichen mit 10 bezeichnet und mißt den elektrischen Energieverbrauch einer Mehrzahl von Übertragungsleitungsleitern 11, 12 und 13, die einen Wechselstrom führen, der von einer Wechselstromquelle 14 über einen Transformator 19 gespeist wird. Bei diesem besonderen erläuterten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wirkt der Transformator 19 als eine Dreileitungs-Einzelphasenquelle, die an einem entfernten Ort angeordnet ist. Man achte besonders darauf, daß der Ausgang eines Transformators keine Gleichspannungskomponente hat. Natürlich arbeiten das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ebenfalls gut mit einer Zweileitungs-Einzelphasen- oder jeder Mehrfachphasenstromquelle.
Die Übertragungsleitung, bestehend aus den Leitern 11, 12 und 13 wird dargestellt, wie sie mit einer elektrischen Belastung (Verbraucher) 15 verbunden ist, die jede konventionelle Belastung sein kann, die Widerstands- Induktions- und kapazitive Charakteristiken hat und die auch nichtlineare Elemente, wie halbleitergesteuerte Belastungen, aufweisen kann. Der mittlere Leiter 13 wird als Masse für dieses Einzelphasen-Dreileitungssystem angegeben.
Der Energieverbrauch für das digitale Wattstundenmeßgerät 10 der vorliegenden Erfindung wird beschrieben unter Bezugnahme auf die Figur, beginnend mit den Übertragungsleitungssensoren. Zwei Aufnehmer 16 und 17 für den Änderungsfaktor des Magnetfelds sind vorgesehen, um die Zeitableitung des des Magnetfelds zu messen, das von dem elektrischen Strom induziert wird, der in den Übertragungsleitungsleitem 11 und 12 fließt. Diese Aufnehmer liefern zusammen mit jedweden benotigten analogen Vorverstärkern einen Ablesewert, der proportional zur Zeitableitung des Stromflusses zum Analogdigitalconverter 18 ist, und diese entsprechenden Ableitungen des Stroms werden mit Ia und Ib bezeichnet.
Die Aufnehmer 16 und 17 der Stromableitung bestehen jeweils aus einer Aufnehmerdrahtspule, die um einen Spulenkern, bezeichnet mit 24, gewickelt ist, der einen Kern 25 aus vorzugsweise ferromagnetischem Material hat, der entsprechend um die Leiter 11 und 12 herumläuft. Dieser ferromagnetische Kern kann aus Materialien, wie zum Beispiel für tragbare Radiogeräte hergestelltem gegossenem Ferrit, hergestellt sein. Diese Kerne 25 sind so konstruiert, daß sie nie in die Nähe einer magnetischen Sättigung kommen, und sie können mit entsprechenden Lufispalten 26 versehen werden, da keine hohe Permeabilität benötigt wird. Sie sollten eine sehr niedrige Koerzitivkraft haben.
Eine Einrichtung zum Messen der Spannung der Übertragungsleitungsleiter ist in Form von Spannungsabgriffsleitungen 20, 21 und 22 in Kombination mit einer konventionellen Widerstandsbrücke 23 vorgesehen, die in diesem Fall als Teil eines Analogdigitalkonverters 18 gezeigt ist. Diese konventionelle Spannungsmeßeinrichtung mißt die Spannungen an Va und Vb der Leiter 12 und 11 gegenüber dem Masseleiter 13.
Der Analogwert der Spannung und die Analogmessung des Änderungsfaktors des Magnetfelds oder der Stromableitung werden beide durch den Analogdigitalkonverter auf konventionelle Art und Weise in digitale Ablesewerte umgewandelt, wodurch Ausgangswerte 27 und 28 der Ableitung des Stroms, bezeichnet mit I, und ein Spannungsausgang V gebildet werden, die proportional zur Stromableitung und Spannung in der Übertragungsleitung sind. Die Proportionalitätskonstanten müssen bekannt und sehr stabil sein.
Das Timing für den Analogdigitalkonverter wird über einen Mikroprozessor 30 an einem Anschluß 35 besorgt. Das digitale Wattstundenmeßgerät 10 verwendet einen Computer oder eine Computereinrichtung zum Berechnen und Anbieten von Ausgangsmeßwerten, und dieser Computer kann im wesentlichen aus einem Analogdigitalkonverter 18, einem Mikroprozessor 30, einem Register 31, einem Eingangs-Ausgangs-Anschluß 32, einem Timer 33 und einem Tageszeittimer 34 bestehen.
Der Mikroprozessor 30 ist ein Anwenderchip, jedoch ein konventioneller Mikroprozessorchip, der programmiert ist, um zuerst die Stromableitung I mit einer algorithmischen Reihe darzustellen, um zyklische pHänomene auszudrücken, die verwendet werden können. In diesem Fall wird eine Fourier-Reihe niedriger Ordnung für diesen Zweck ausgewählt. Diese Funktion des Mikroprozessors 30 ist in der Stufe 40 im Fließschemaabschnitt der Zeichnung angegeben.
Bei Stufe 41 wird diese Darstellung einer Fourier-Reihe niederer Ordnung der Stromableitung integriert, um eine angenäherte mathematische Darstellung des in der Übertragungsleitung fließenden Stroms I zu erhalten. Dann wird der Mikroprozessor 30 so weiterprogrammiert, daß er in Stufe 42 des Fließschemas einen abgeschätzten Zukunfts- oder einen abgeschätzten Vergangenheitswert dieses angenäherten Stroms in der Fourier-Reihe für eine ausgewählte zukünftige oder gerade vergangene Spannungsablesewertzeit berechnet oder kalkuliert. In anderen Worten, wenn dieser berechnete Strom verwendet werden soll, um einen augenblicklichen Strom für eine Spannungsablesung darzustellen, die bereits durchgeführt worden ist, dann wird er für die Zeit berechnet, bei der ein Spannungsablesewert zuvor genommen wurde. Wenn es darum geht, einen zukünftigen Stromablesewert für einen zu einem ausgewählten zukünftigen Zeitpunkt zu nehmenden Spannungsablesewert darzustellen, dann wird der Strom für diesen zukünftigen Spannungsablesewertzeitpunkt berechnet. Der berechnete und angenäherte Strom für eine ausgewählte oder vorgegebene zukünftige oder vergangene Zeit wird im allgemeinen als Pseudostrom bezeichnet, der als pI angegeben wird, da er nicht der wahre augenblickliche Strom ist.
Der Mikroprozessor 30 ist dann weiter so programmiert, daß die in Stufe 43 des Fließschemas zu der ausgewählten Zeit oder zu ausgewählten Zeiten gemessene Spannung mit dem entsprechenden Zukunfts- oder Vergangenheitspseudostrom oder den entsprechenden Strömen multipliziert und das Ergebnis addiert wird, wodurch man beim Anschluß 45 einen Messungsausgangszahlenwert erhält, der proportional zu den Kilowattstunden ist, die von der Belastung 15 in der Übertragungsleitung verbraucht wurde. Der Wert wird im Memoryregister 31 gespeichert.
Dieser Kilowattstundenablesewert kann auch über einen konventionellen Leiter an einen Eingangs-Ausgangs-Anschluß 32, wie bei 46 angegeben ist, übertragen werden oder mittels Radiowellen oder Telefonübertragungsleitungen oder dergleichen, wenn der Eingangs-Ausgangs-Anschluß 32 an einem entfernten Ort angeordnet werden soll. Aktuelle physikalische Ablesewerte des Kilowattstundenverbrauchs können vom Eingangs-Ausgangs-Anschluß 32, wie bei 47 angegeben ist, abgelesen werden. Dies kann durch einen Meßgerätableser entweder durch visuelle Beobachtung von Meßgerätanzeigen oder durch elektrische, optische etc. Kupplungsvorrichtungen, die zum Ablesen der Meßgeräte eingesetzt werden, oder dieser Ausgangswert kann auch wieder an einen entfernten Ort übertragen werden zum visuellen Ablesen oder zum Ablesen durch einen anderen Computer.
Der Mikroprozessorchip 30 kann außerdem in der Weise weiterprogrammiert sein, daß in Stufe 40 eine Fourier-Reihe eingestellt wird, indem zuerst ihre berechnete Stromableitungsablesung aus aktuellen Ablesungen des digitalen Outputs 27 mit einem oder mehreren Werten davon verglichen wird, die bereits berechnet wurden und aus dem Speicher in Register 31 über eine Feedbackleitung F zurückgespeist wurden, wodurch die Abweichung der berechneten von den tatsächlichen abgeleiteten Stromablesewerten des magnetischen Felds aufgedeckt werden, und Verwenden dieser Abweichung, um entsprechend Koeffizienten der Fourier- Reihe für Korrekturen einzustellen. Dieser Vergleich kann ebenso durchgeführt werden durch Aufsummieren von Abweichungen jeweils mit einem Wichtungsfaktor und Verwenden der Summe der gewichteten Abweichungen, um die Koeffizienten der Fourier-Reihe für Korrekturen entsprechend einzustellen.
Alternativ zur Option des vorhergehenden Absatzes kann der Mikroprozessorchip 30 so weiterprogrammiert werden, daß in Stufe 40 eine Fourier-Reihe geschaffen wird, um optimal mit den Ablesewerken des digitalen Ausgangs 27 zusammenzupassen. Dies geht so ähnlich, wie es in dem vorhergehenden Absatz durchgeführt wurde, außer daß kein Vergleich durchgeführt wird, und ist tatsächlich die notwendige Startbedingung für die im vorhergehenden Absatz beschriebene Situation. Die Konstruktion wird erreicht durch individuelles Wichten jeder Messung für jeden Koeffizienten. Der Wichtungsfaktor im Fall der Fourier-Reihenkonstruktion enthält die korrespondierende Sinus- oder Kosinusfunktion.
Der Mikroprozessor 30 kann alternativ weiterprogrammiert werden, so daß eine Gruppe von Ablesewerten der Zeitableitung des Magnetfeldes bei Stufe 40 genommen wird, statt nur ein Ablesewert, und wenn die Werte der aus dieser Gruppe von Ablesewerten berechneten Stromableitungen mit bereits aus der Fourier-Reihe berechneten Werten verglichen werden, werden die Koeffizienten eingestellt, um ein besseres Zusammenpassen zu erhalten, oder die Gruppe von Ablesewerten wird direkt verwendet, um neue Koeffizienten der Fourier-Reihe aus dem Arbeitsspeicher, wie im vorhergehenden Absatz für einen einzelnen Ablesewert, zu erhalten, oder was hier der Fall wäre, bei Einschaltsituationen. Die bevorzugte Situation ist, da weniger Berechnungen notig sind, die direkte Berechnung von Koeffizienten ohne Vergleich, wie dies gemacht wird, wenn sich das Meßgerät in einer Startsituation befindet. Dies reduziert möglicherweise sogar sehr stark die Berechnungszeit.
Der Berechnungsprozeß kann auch weiter vereinfacht werden, indem sogar Oberschwingungen und/oder Hochfrequenzoberschwingungen und möglicherweise alle Oberschwingungen eliminiert werden, bei denen der Index ein ganzzahliges Vielfaches von Drei in der Fourier- Reihe ist, die die Stromwellenform darstellt.
Im Folgenden sind anhand einer Illustration zwei Möglichkeiten einer Feedbackkorrektur erläutert, die erste in Form einer Beschreibung eines Programms, und die zweite in Form eines typischen Computerprogramms, das im Mikroprozessor 30 eingesetzt werden kann. Die ersten Gleichungen stellen einen möglichen Weg dar, um diese Einstellungen durchzuführen, und die Variablen haben folgende Bedeutung:
dI(t) Änderungsfaktor des Primärstroms, gemessen von einer Aufnehmerspule im um den Leiter herum befindlichen Magnetfeld zum Zeitpunkt t.
scdcomp Summe der Komponenten der Fourier-Reihe, die diesen Änderungsfaktor ausdrücken soll.
t Zeit in Binheiten elektrischer Radianten, etwa 2,65 ms.
n Indes der Oberschwingung
as[nJ Koeffizient des n-ten Sinusterms in der Ableitungsreihe.
ac[nJ Koeffizient des n-ten Kosinusterms in der Ableitungsreihe.
del Abweichung zwischen Messung und Berechnung des Aufnehmers des magnetischen Änderungsfaktors.
Ic Berechneter Strom (ohne Proportionalitätsfaktor).
m Höchste Komponente in einer berücksichtigten Reihe.
delas[] und delac[] sind inkrementale Beträge zur Verwendung bei der Korrektur von as[] und ac[].
mm Dämpfungsfaktor, um Korrekturen zu verhindern, die zu groß sind.
Die Korrektur:
Die Reihe lautet dann:
Ein positiver del-Wert gibt an, daß der berechnete Wert zu klein war.
Beim Start jeder Gruppe (oder jedes individuellen Ablesewertes) werden die delas[]- und delac[]-Terme zu Null gesetzt. Nach jedem Ablesewert werden die Einstellungen begonnen.
delas[n] = del*sin(nt) (aufsummierte Summe)
delac[n] = del*cos(nt) (aufsummierte Summe)
Oder im Fall einer Gruppe von Ablesewerten sind die Gleichungen unterschiedlich und lauten:
delas[n] = delas[n] + del*sin(nt)
delac[nJ = delac[n] + del*cos(nt)
Die Sinus- und Konsinusfaktoren stellen sicher, daß Terme, die zum Gesamtstrom beitragen, proportional zu ihrem Beitrag eingestellt werden und daß das Zeichen der Korrektur richtig ist.
Bei Beendigung jedes Ablesewertes oder jeder Gruppe von Ablesewerten werden die Einstellungen der Koeffizienten durchgeführt.
as[n] = as[nJ + delas[n]*mm (aufsummierte Summe)
ac[n] = ac[n] + delac[n]*mm (aufsummierte Summe)
Nun findet die "Integration" statt. Für Sinus wird - Kosinus substituiert und für Kosinus wird Sinus substituiert, und eine Division durch die Oberschwingungszahl durchgeführt.
Dieser Stromwert kann für jeden Zeitpunkt im Zyklus erhalten werden, nicht nur, wenn Ablesungen gemacht werden. Sie sollten berechnet werden für die Momente, in denen die Spannungsablesungen gemacht werden, so daß eine Momentanleistung bestimmt werden kann. Die Momentanleistung ist V × Ic, wobei V die zum Zeitpunkt t gemessene Spannung ist.
Der Sinus für Werte für einen 1/4-Zyklus kann in einer Nachschlagtafel gefunden werden. Dies gilt für alle Sinus und Kosinus der Grund- und aller Oberschwingungen.
Die zweite Methode, die eine Ablesung oder eine Gruppe von Ablesungen betrifft, ist im Folgenden als Abschnitt eines Basic-Programms dargestellt. Die Beschreibung (mit Schrägstrichen versehene Zeilen) bezieht sich auf die mit Nummern versehene Zeile im Programm oder die Zeilen direkt darüber.
1 w = pi/256
/// In 1 pi = gleich 3.14159265.
/// In 2 ist ml die Anzahl der Ablesewerte in einer Gruppe bevor
/// Korrekturen gemacht werden. ml kann so niedrig wie 1 sein, wobei in diesem Fall
/// die Möglichkeit dargestellter Abstandsablesungen ungünstig ist.
/// In 3 & 4 ist t die in Einheiten von 1/512 eines elektrischen Zyklus gemessene Zeit.
3 t = t+33
/// Dies gibt an, daß t+33 den Wert t ersetzt oder t nach jeder Gruppe von Ablese
/// werten um 33 erhöht wird (33/512 Zyklen).
4 nb = t mod 512
/// nb wird vom "Beginn" jedes Zyklus gemessen.
/// Es ist wichtig zu beachten, daß der Zyklus mit den aktuellen elektrischen Zyklen
/// NUR ZUFÄLLIGERWEISE in Phase verläuft. Eine solche Ausrichtung spielt
/// beim Betrieb des Instruments keine Rolle.
5 for m = 1 to ml
/// Start einer Gruppe von Ablesewerten der Ableitung des magnetischen Felds.
6 if m mod 2 = 0 then
/// (wenn m geradzahlig ist)
7 detlt = 401
/// (nimm die nächste Ablesung 401/512 Zyklen später)
8 else
/// (oder)
9 delt = 53
/// (nimm die nächste Ablesung 53/512 Zyklen später)
10 end if
11 t = t + delt
/// Die Zeilen 7 bis 12 zeigen, daß die Ablesewerte nicht in gleiche Abstände gesetzt
/// sein müssen.
12 nb = t mod 512
/// (Nur die Phase von nb ist wichtig)
13 dIc = 0
/// dIc ist das Symbol für eine berechnete (Fourier-Reihe) Stromableitung.
14 for n = 1 to 11 step 2
/// "step 2" gibt an, daß hier sogar Oberschwingungen vernachlässigt werden.
/// "step 2" auszulassen ist willkürlich. Wenn er ausgelassen wird, werden sogar Ober--
/// schwingungen berechnet.
/// (Summieren von Komponenten von Oberschwingungen)
16 next n
/// Wenn Berechnungen durchgeführt werden, um neue Koeffizienten durch Einstel--
/// lungen zu erreichen, werden die Zeilen 14 bis 16 ausgelassen und dIc = 0.
17 del = dI(t)-dIc
/// del ist die Abweichung zwischen gemessener (dI(t)) und berechneter Stromablei--
/// tung. In den Zeilen 18 bis 21 sind dass () und dacc () Korrekturterme, die nach
/// jedem Ablesewert berechnet wurden.
18 for n = 1 to 11 step 2
19 dass(n) = dass(n) + del*sin(n*w*nb)
20 dacc(n) = dacc(n) + del*cos(n*w*wb)
21 next n
22 next m
/// Ende einer Gruppe von Ablesewerten
23 for n = 1 to 11 step 2
24 ass(n) = ass(n) + 2*dass(n)/ml
25 acc(n) = acc(n) + 2*dacc(n)ml
/// Neuübertragungen von asso und acco nach jeder Gruppe.
26 dass(n) = 0
27 dacc(n) = 0
/// dass und dacc werden für die nächste Gruppe auf Null zurückgesetzt.
28 next n
29 del = 0
30 Ic = 0
/// Resets für del und Ic für den nächsten Zyklus.
/// Integration der Reihe.
31 for n = 1 to 11 step 2
32 Ic = Ic +(-ass(n)*cos(n*w*nb)+acc(n)*sin(n*w*nb))/n
33 next n
34 goto 3
/// Rückführung.
Wie zuvor angemerkt wurde, ist es aus einer Vielzahl von Gründen erwünscht, daß das Timing der Pseudostrom- und Spannungsmessungen unabhängig von der Frequenz des aktuellen Energiesystems ist. Wenn das Timing elektronisch erzeugt wird, fallen die Zykluslängen der Grund- und aller Oberschwingungen nicht exakt mit den aktuellen Längen im Energiesystem zusammen. Dies verursacht im Laufe der Zeit eine leichte, jedoch dauernd zunehmende Phasenverschiebung. Die im Tageszeittimer 34 registrierte aktuelle Tageszeit kann an zweckmäßigen Zeitpunkten, beispielsweise einmal im Monat, zurückgesetzt werden, wenn die Meßgeräte für Abrechnungszwecke entweder vor Ort oder aus der Ferne abgelesen werden.
Im zuvor beschriebenen Berechnungsverfahren wird die Zeitableitung des Aufnehmers des magnetischen Feldes, ausgedrückt mit einer algorithmischen Reihe zur Darstellung zyklischer Phänomene im Wert für eine ausgewählte zukünftige oder vergangene Spannungsablesezeit angenähert, und dann wird sie mit dieser Messung einer Spannung oder von Spannungen vor dem Schritt der Aufsummierung dieser Leistungsablesung multipliziert, um einen Zahlenwert proportional zur über die Leiter verbrauchten Energie zu erhalten.
Wenn man jedoch der Lehre der Erfindung folgt, gibt es viele Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu berechnen, wenn einmal der Aufnahmewert des magnetischen Feldes als eine algorithmische Reihe zum Ausdrücken eines zyklischen Phänomens oder in der Fourier-Reihe niedriger Ordnung zum Beispiel ausgedrückt ist. Beispielsweise müssen der Strom und die Spannung nicht nur nicht simultan gemessen werden, sondern als zusätzliches Beispiel muß einer von beiden nicht für die Zeit des Moments der Messung des anderen berechnet werden, wie zuvor beim Beispiel von Fig. 1 ausgeführt wurde. Ein altematives Berechnungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt.
Im allgemeinen kann gelieferte Energie mathematisch als das Integral des Momentanstroms mal der simultan abgenommenen Momentanspannung ausgedrückt werden. Wenn alle Terme als eine Fourier-Reihe ausgedrückt werden, sieht man, daß alle Kreuzungsterme (Zwischenfrequenzen) im Produkt herausfallen. Außerdem bleibt die Spannungswellenform, wie sie vom Transformator des Energieunternehmens geliefert wird, wesentlich näher an der Sinusform, wobei sie nicht durch unterschiedliche Belastungen im System ähnlich stark wie die Stromwellenform verändert wird.
Die Spannungswellenform enthält somit nur einen geringen Oberschwingungsanteil und keine Direktstromkomponente. Die glatten harmonischen Oberschwingungen der Leistung sind zweifellos niedrig, wenn sie das Ergebnis einer Unausgeglichenheit zwischen den beiden Hälften der Spannungs- und der Stromwelle sind. Die erforderliche Präzision macht deshalb nicht unbedingt den Einschluß von geradzahligen Oberschwingungen in der Stromwellenform erforderlich, und die Analyse ist in der Tat um einiges vereinfacht, wenn sie vernachlässigt werden. Auch liefert nahezu kein Energiesystem Energie der dritten Oberschwingung oder irgendeine Oberschwingung der dritten Oberschwingung (3, 6, 9, etc.) Diese können für die Einrichtungen in solchen Systemen ebenfalls vernachlassigt werden.
Aufgrund dieser Überlegungen muß nichts unternommen werden, um die Hochfrequenz, die beim Strom bei vielen Anwendungen zu finden ist, zu duplizieren. Da die Hochfrequenzkomponente der Spannung wesentlich kleiner ist, muß keine Hochfrequenz für die Stromwellenform berechnet werden. Entsprechend werden, wenn in der Stromwellenform keine hohen Oberschwingungen benötigt werden, keine in der abgeleiteten Wellenform benötigt. Das heißt, die die Aufnehmerspannung beschreibende algorithmische oder Fourier-Reihe muß trotz des offensichtlichen Anteils hoher Oberschwingungen, die bei der Aufnehmerspannung erscheinen können, keinen Anteil hoher Oberschwingungen haben.
Wenn die analytischen Ausdrücke für den Strom und auch die Spannung erhalten wurden, werden die Koeffizienten von Sinus und separat die Koeffizienten von Kosinus für jede Oberschwingung in den Strom- und Spannungsausdrücken multipliziert, und dann ihre Summe durch 2 geteilt. Im gezeigten Beispiel werden die Ablesungen des sich verändernden Magnetfelds so durchgeführt, daß Zeitspalten produziert werden, während denen Spannungsablesungen und Ablesungen auf einer zweiten Leitung sowie unterschiedliche Berechnungen von Strom und Leistung durchgeführt werden können.
Der Strom kann ausgedrückt werden als
I = al*sin(wt) + a3*sin(3wt) + a5*sin(5wt) + + + + b1*cos(wt) + b3*cos(3wt) + b5*cos(5wt) + + +
Die Spannung kann ausgedrückt werden als
V = A1*sin(wt) + A3*sin(3wt) + A5*sin(5wt) + + + + B1*cos(wt) + B3*cos(3wt) + B5*cos(5wt) + + +
Die Fourier-Koeffizienten für den Strom werden in Echtzeit durch eine Reihe von Einstellungen erhalten, wobei eine der Techniken der Offenbarung für Fig. 1 angewendet wird. Für den Strom ist die Technik dieselbe, die in der Offenbarung für Fig. 1 für die Ableitung des Stroms eingesetzt wird.
Die Leistung ist dann
Leistung = [a1*A1 + b1*B1 + a3*A3 + b3*B3 + a5*A5 + b5*B5 + + +]/2
Man beachte insbesondere, daß per se kein Strom berechnet wird.
Man beachte weiterhin, daß die Stromkoeffizienten einfach aus den Stromableitungskoeffizienten abgeleitet werden, die direkt mit richtigem Vorzeichen und Einstellung der Oberschwingung verwendet worden sein können. Dann würden nicht einmal die Stromkoeffizienten berechnet.
Speziell gemäß Fig. 2 wird diese letztgenannte Berechnungsmethode beschrieben. Ähnliche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Nur der abgeänderte Abschnitt der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist gezeigt. Dies wurde aus Vereinfachungsgründen so gemacht, da es nicht notwendig ist, die gesamte Schaltung von Fig. 1 für den Zweck der vorliegenden Darstellung zu wiederholen.
Bei dieser alternativen Konstruktion ist der Mikroprozessor 30 so programmiert, daß er die Berechnung des Energieverbrauchs auf eine andere Weise durchführt, während er jedoch immer noch der Lehre der vorliegenden Erfindung folgt. Statt nur eine Fourier-Analyse der Stromableitung I durchzuführen, ist die Fourier-Analyse nicht nur auf den Magnetaufnehmer (Stromableitung) sondern auch auf den Spannungsabnehmer angewendet, wie in Stufe 50 im Fließschemaabschnitt von Fig. 2 angegeben und im vorhergehenden Fall diskutiert wurde. Danach wird die Spannungsmessung sowie der Magnetfeldaufnehnner in einer algorithmischen Reihe zum Ausdrücken zyklischer Phänomene dargestellt.
Dann wird der Mikroprozessor, wie im Schritt 51 gezeigt ist, so programmiert, daß er die Negativen der Spannungskoeffizienten der Sinus separat mit den Stromableitungskoeffizienten der Kosinus und die Koeffizienten der Kosinus mit den Koeffizienten der Stromableitungskoeffizienten der Sinus jeder Oberschwingung in der Stromableitung und algorithmischen Reihe für die Fourier-Entwicklung der Spannung multipliziert. Jedes Oberschwingungsprodukt wird durch das zweifache des Oberschwingungsindex dividiert, was entsprechend einen Ausdruck für Leistung ergibt. Danach werden, wie in der letzten Stufe 52 dargestellt ist, diese Ausdrücke der Leistung addiert, um eine Ausgangsmessung proportional zum Wert der Energie, die über die Originalleiter verbraucht wurde, zu erhalten. Danach können die Fehlerkorrektur und das Mitteln von Funktionen in der gleichen Weise durchgeführt werden, wie dies im Zusammenhang mit den Erläuterungen von Fig. 1 getan wurde.
Das digitale Leistungsmeßgerät der vorliegenden Erfindung verwendet eine Fourier-Entwicklung und ermöglicht eine einfache Filtereinrichtung ohne Verlust von Information oder Genauigkeit oder das Hineinbringen irgendeines Leistungsfaktorfehlers. Ein solches Filtern ist von Vorteil, da es ein Rauschen entfernen kann, das sich sonst mit einer tadellosen Meßgerätfunktion stören könnte. Brauchbare Filterverfahren sind im Folgenden beschrieben.
Der Filter kann ein Analogfilter sein, der nur aus Elementen wie Kondensatoren, Induktoren oder Widerständen besteht, die in der Schaltung für den magnetischen Aufnehmer verwendet werden, die zur Bestimmung des Stroms verwendet wird. Bin Filter mit identischer Frequenzabhängigkeit der Dämpfung und Phasenverschiebung könnte ebenfalls als Spannungsaufnehmer verwendet werden. Als ein Ergebnis sind die Oberschwingungen beider Signale identisch phasenverschoben und gedämpft. Wenn die Oberschwingungskoeffizienten multipliziert werden, wird nur die Dämpfung bei der Bestimmung der Leistungsgröße involviert, da sich kein Leistungsänderungsfaktor für die Grund- oder für irgendeine ihrer Oberschwingungen ergibt.
Mit einer bekannten Filteranordnung ist die Dämpfung jeder harmonischen Oberschwingung bekannt. Es sei h die harmonische Dämpfung = Ah. Dann ist der Anteil der harmonischen Schwingung h zur Leistung effektiv gedämpft durch den Multiplikator (Ah)².
Wenn die Leistung durch Multiplikation der Oberschwingungsamplituden bestimmt wird, ist das Produkt der Oberschwingung h dividiert durch diese effektive Dämpfung, das Quadrat der individuellen Dämpfungen. Dies stellt ihre richtige Größe wieder her.
Wenn ein Pseudostrom berechnet und mit der gedämpften Spannung multipliziert wird, wird jeder Stromoberschwingungsanteil dividiert durch (Ah)². Der quadrierte Wert muß die Dämpfung von Strom und Spannung kompensieren, wobei die letztere in diesem Fall nicht als Fourier-Reihe ausgedrückt wird.
Zusätzlich können auch Diodenbegrenzer auf konventionelle Weise eingesetzt werden, um ein Rauschen an den Aufnehmerausgängen zu löschen.
Der Filter für die Spannung und den Strom muß identische Phasenverschiebungscharakteristiken haben. Das heißt die Phasenverschiebung für die Grundwelle muß dieselbe für beide Filter sein, so wie die unterschiedlichen Phasenverschiebungen für jede relevante Oberschwingung individuell sind. Dies schließt ein, daß die Dämpfung der Stromableitung und der Spannung gleich sind. Oberschwingung für Oberschwingung. Dies heißt nicht, daß die Hardwarestruktur der Filter identisch sein muß.
Der einfachste Filter, der Hochfrequenzen einigermaßen gut entfernt, ist der einfache RC- Filter, der aus einer Widerstandsstruktur und einem Kondensator besteht. Die Widerstandsstruktur kann ein Widerstandsnetzwerk oder ein einfacher Widerstand sein. Zwei Filter sind für diesen Zweck identisch, wenn sie das gleiche RC-Produkt haben, wobei R der effektive Widerstand des Netzwerkes ist.
Die Dämpfung A eines RC-Filters ist in Termen von T angegeben, das RC-Produkt, das die Dimensionen von Zeit hat, und ist die RC-Filter-Zeitkonstante:
A = 1/sqrt[1 + (wT)²]
Wenn w die Winkelfrequenz, oder 2 × π × ff × n ist, wobei π = 3.14159, ist ff die Grundfrequenz, beispielsweise 60 (Hz), und n ist die harmonische Oberschwingung. Somit müssen der Spannungsfilter und der Stromableitungsfilter die gleichen Zeitkonstanten haben. Im Ergebnis wird die angegebene Leistung, die mit jeder Oberschwingung einhergeht, um das Quadrat dieser Dämpfung verringert.
Als ein Beispiel zeigt die Ausführungsform von Fig. 2 die Zufügung des Filters 52 am Spannungsaufnehmerausgang und des Filters 52' am Magnetfeldabnehmer. Diese Filter sind im Detail in Fig. 3 dargestellt. Der Spannungsfilter besteht aus einer einfachen RC-Konstruktion, bestehend aus zwei Widerständen in Reihe mit einem Kondensator, der zu einem von ihnen parallel läuft. Wie man sieht, sind die Widerstände als R1 (der Hochspannungskontaktwiderstand) und R2 (der mit der gemeinsamen Leitung 13 assozuerte Widerstand) und der Kondensator mit C1 bezeichnet. Der effektive Widerstand der beiden Widerstände im Filter ist deren Produkt geteilt durch deren Summe. Somit ist der effektive Filterwiderstand R gegeben durch R = R1*R2/[R1 + R2].
Der einfache verwendete Reihenspannungsteiler erzeugt eine Gleichspannungsausgangsspannung gleich der Bingangsspannung mal R2/[R1 + R2]. Dämpfung in diesem Zusammenhang bezieht sich auf die Reduzierung dieses Ausgangswertes durch Addition des Kondensators. Der Ausgang dieses Filters wird an der Verbindung von R1, R2 und Kondensator C1 abgegriffen.
Das Stromableitungssignal kann am besten zwischen zwei Verstärkungsstufen gefiltert werden. Der Filter kann ein einfacher RC-Filter sein, der einen Widerstand Ri in Reihe mit einem Kondensator C2 verwendet, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Der Ausgang dieser Filterstufe (und Eingang zur n:;chsten Verstärkerstufe) ist die Verbindung des Widerstands und des Kondensators.
Die gefilterten Spannungs- und Stromableitungssignale werden so behandelt, wie in den früheren Offenbarungen diskutiert wurde. Der Ausgang jeder Frequenz ist für seine Dämpfung durch Multiplizieren mit
M = I + (wT)²,
kompensiert, der Umkehrung von A².
Für den Fall, daß die Spannung nicht in eine Fourier-Reihenform gebracht wurde, wird der Strom berechnet, indem dieser Multiplikator für jede harmonische Oberschwingung verwendet wird. (Man beachte, daß sein Wert von der harmonischen Oberschwingung abhängt). Wenn die harmonischen Oberschwingungsamplituden der Spannung und der Strom miteinander multipliziert werden, wird jedes Oberschwingungsprodukt durch seinen entsprechenden Faktor multipliziert, bevor man weiterfährt.
Beispielsweise sind für T = 0,53052 ms für ein 60 Hz-System die Werte von wT für die Grundschwingung und die 3., 5., 7., 9., 11. Oberschwingung wie folgt:
Die oben diskutierten Prinzipien und Techniken können freilich genutzt werden, um eine rein digitale Simulation eines nicht gesattigten Stromumwandlers, geeignet für Steuerzwecke, einzusetzen. Beide, ungerade und gerade Oberschwingungen sollten verwendet werden. Die Anzahl von Oberschwingungen ist gewissermaßen willkürlich. Konventionelle Stromumwandler geben nur niedrige Oberschwingungen an.
Ein Magnetfeldaufnehmer wird nur dann verwendet, wenn im digitalen Leistungsmeßgerät zur Messung des Änderungsfaktors des Stroms ein solcher eingesetzt wird. Diese ferromagnetische Schleife hat, wie zuvor, eingebaute Spalten. Um sicherzustellen, daß sie an keiner Stelle gesättigt wird, werden viele Spalten, möglicherweise bis zu 16, verwendet. In Energieleitungszuteilungssteuersystemen in denen sehr starke Ströme vorkommen, sollte diese hohe Anzahl von Spalten kein Problem sein. Wenn man eine Mehrzahl von Spalten hat, ist kein Segment des ferromagnetischen Materials lang genug, um sogar bei den ärgsten geomagnetischen Stürmen eine Sättigung zu erreichen.
Der Ausgang der Aufnehmerspule kann mit Linearfiltern oder Diodenbegrenzern gefiltert werden, um sehr hohe Ausschläge abzuschneiden. Die Fourier-Koeffizienten werden für alle Oberschwingungen niedriger Frequenz erreicht. Die Integration wird, wie zuvor diskutiert, erreicht, indem Sinus- und Kosinus-Koeffizienten vertauscht werden, durch die Zahl der harmonischen Oberschwingung geteilt werden, das Vorzeichen des Sinuskoeffizienten in der integrierten Stromreihe umgekehrt wird und die Phase zweckmäßig für den Filter verschoben wird, und für die Filterdämpfung korrigiert wird. Der einzige hier zugefügte Bestandteil ist die Phasenverschiebungskorrektur, die einfache trigonometrische Relationen verwendet und im Mikroprozessorabschnitt des Meßgeräts durchgeführt wird.
Wenn kein Filter eingesetzt wird, ist keine Dämpfung oder Phasenverschiebungskorrektur erforderlich (Der Diodenbegrenzer verursacht keine Fehler, die eine Korrektur erforderlich machen).
Die von dem Filter erzeugte Phasenverschiebung sollte für alle Oberschwingungen (nur frequenzabhängige) bekannt sein. Beispielsweise, wenn die Phasenverschiebung für die n-te Oberschwingung 2*pi/12 radians war (eine Verzögerung von 30 Grad), ist es erforderlich, diese Phasenverschiebung zu korrigieren. Wenn aS und bC die festgestellten Sinus und Kosinus-Koeffizienten für diese n-te Oberschwingung sind, dann ist ihre Phase

arctan(aS/bC)

Diese muß um die für diese Oberschwingung bekannte Verzögerung "vorgezogen" werden. "Vorgezogen" entspricht einer negativen Phasenverschiebung. Der Sinus von 2* pi/12 radians ist gleich -0,5 und dessen Kosinus ist 0,866. Dann sind die korrigierten Phasen (angegeben durch Vorzeichen)
aS = -0,5*bC + 0,866*aS
bC = +0,866*bC + 0,5*aS
Die Stromwellenform wird berechnet unter Verwendung dieser korrigierten Phase zusammen mit den korrespondierenden korrigierten Größen der Grundschwingung (Oberschwingung Nr. 1) und der Oberschwingungen.
Die Kerne 25 der entsprechenden ferromagnetischen Aufnehmer 16 und 17 beschreiben eine Hystereseschleife, deren Breite eine magnetomotorische Kraft von etwas 16 Amperewindungen pro Meter der magnetischen Länge des Kerns überschreiten muß. Dementsprechend ist es erstrebenswert, einen Reaktionsverlust geringer Strombelastungen zu vermeiden und auch für die Verwendung eines 8-Bit Analog-/Digital-(A/D) Konverters zu ermöglichen. 10-Bit Sicherheit ist zweifellos zu bevorzugen, jedoch sind 8-Bit-Konverter wesentlich billiger.
Um dieses Problem zu lösen, kann eine Spule von 50 oder 60 Wicklungen auf den Spulenkörper zusätzlich aufgebracht werden, der für die Spule 24 des Stromableitungsaufnehmers verwendet wird, und durch diese Wicklung wird eine magnetomotorische Kraft auf den ferromagnetischen Kern 25 impliziert mit einer Frequenz, die nicht eine harmonische Oberschwingung der Frequenz des Wechselstroms ist, der von dem Leiter 11 oder 12 geführt wird, so daß Kernremanenzeffekte entfernt werden. Diese Verbesserung ist in Fig. 5 dargestellt.
Insbesondere gemäß Fig. 5 ist diese zusätzliche Spule von beispielsweise fünfzig oder sechzig Wicklungen mit 60 angegeben, und wird zum gleichen Spulenkörper (nicht gezeigt) zugefügt, der für die Spule 24 des Stromableitungsaufnehmers verwendet wird. Die Spule 60 wird von einem zusätzlichen Oszillator 61 angetrieben, der beispielsweise bei 2.000 Hz arbeitet. Diese Oszillatorfrequenz muß so ausgewählt werden, daß sie keine harmonische Oberschwingung von 60 Hz oder eine Oberschwingung der Frequenz des Wechselstroms, der vom Leiter 11 geführt wird, ist. Außer dieser Anforderung ist die Frequenz nicht kritisch. Dies erzeugt etwa eine 0,1 Amperewindungen starke Magnetkraft auf den ferromagnetischen Kern 25, die beispielsweise in Form einer Sägezahukurve verläuft, um die magnetische Remanenz zu überwinden.
Wenn man einen magnetischen Weg von beispielsweise 6 cm vorgibt, so macht dieser etwa 1 Amperewindung zur Überwindung der Remanenz erforderlich. Dies addiert natürlich ein 2.000 Hz-Signal geringer Größe zur Aufnehmerspannung.
Die Größe dieser magnetomotorischen Kraft ist klein im Vergleich zur Gesamtskalengröße der gemessenen Zeitableitung des Magnetfelds. Beispielsweise sollte diese addierte Spannung in der Aufnehmerspule vorzugsweise in einer Größe von etwa 1/32 des Spannungsaufnehmers für den Gesamtskalenablesewert sein. In einem Energiesystem wäre dies 2,82 mal der nominale Maximalskalenablesewert.
Man unterstelle beispielsweise, daß das Signal, das in einen 0 - 5 Volt A/D-Konverter hineingeht, ungefähr die Spannung von 0,01 Volt hätte, dann würde man zu jedem Zeitpunkt den Wert 0 lesen, wogegen mit dem oben diskutierten zusätzlichen Signal für jeden digitalisierten Wert dieser nahezu dem entsprechend der kleinen zusätzlichen Signalwelle wäre. Die Spannung wird durch das aktuelle Signal moduliert, so daß, obwohl die Durchschnittsablesewerte über eine geringe Zeitspanne für das zusätzliche Signal allein etwa bei 0 lägen, sie nun etwa im Bereich des echten Wertes des Signals liegt. Dies liest man statistisch als einen aussagekräftigen Wert für das echte Signal.
Das zusätzliche Wechselstromsignal, das auf die zusätzliche Spule beaufschlagt wird, entfernt beides, nämlich das magnetische Problem und liefert ebenso das kleine aufgesetzte Signal für höhere Genauigkeit.

Claims

1.Verfahren zum Messen eines elektrischen Energieverbrauchs bei einer Übertragungsleitung, die mehrere Übertragungsleitungsleiter (11, 12, 13) aufweist, die Wechselstrom führen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

- Messen der Zeitableitung des magnetischen Felds, das durch den elektrischen Strom induziert wird, der in jedem (11, 12) der Übertragungsleitungsleiter fließt;

- mathematisches Nähern der Zeitableitung des in jedem Leiter fließenden Stroms durch ein Ausdrücken der gemessenen Zeitableitung des magnetischen Felds durch eine algorithmische Reihe zum Ausdrücken zyklischer Phänomene;

- Messen der Spannung zwischen jedem Leiter (11, 12) und einem Masseleiter (13) der Übertragungsleitung;

- digitales Berechnen einer Näherung der über die Übertragungsleitung zugeführten Leistung durch Berechnen eines Leistungsablesewerts für jeden Leiter aus der Zeitableitung des Stroms, wie sie durch die algorithmische Reihe ausgedrückt wird, und aus der Spannungsmessung; und

- Addieren aufeinander folgender Näherungen der Leistung, um eine Zahl zu erhalten, die der über die Übertragungsleitung verbrauchten Energie proportional ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die algorithmische Reihe eine Fourier-Reihe ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Berechnens des Leistungsablesewerts für jeden Leiter folgende Schritte umfaßt: Integrieren der algorithmischen Reihe, um eine Darstellung des Stroms zu erhalten; Berechnen eines geschätzten Werts des Stroms zu der Zeit der Spannungsmessung aus der Darstellung; und Multiplizieren der gemessenen Spannung und des geschätzten Stroms miteinander.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Berechnens des Leistungsablesewerts für jeden Leiter folgende Schritte umfaßt: Darstellen der gemessenen Spannung mittels einer Fourier-Reihe; für jede harmonische Oberschwingung Multiplizieren des Koeffizienten des Sinus bzw. des Koeffizienten des Kosinus in der Spannungs-Fourier- Reihe mit dem Koeffizienten des Sinus und dem Koeffizienten des Kosinus in einem Integral der Zeitableitungs-Stromreihe; Addieren der Multiplikationsergebnisse; und Teilen der Summe in die Hälfte.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei der Schritt des Berechnens des Leistungsablesewerts für jeden Leiter den Schritt des Eliminierens gerader harmonischer Oberschwingungen in dem Fourier-Reihen-Ausdruck der Stromableitung umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Schritt des Berechnens des Leistungsablesewerts für jeden Leiter den Schritt des Eliminierens eines hohen harmonischen Oberschwingungs-Anteils in dem Fourier-Reihen-Ausdruck der Stromableitung umfaßt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es folgende Schritte umfaßt: Berechnen eines tatsächlichen Werts oder einer Gruppe von Werten der Zeitableitung des Stroms aus einem Ablesewert oder einer Gruppe von Ablesewerten der Ableitung des magnetischen Felds bei der Aufnahme; und Vergleichen des tatsächlichen Werts oder der Werte des Zeitableitungsstroms mit einem oder mehreren Werten davon, die aus einer zuvor erhaltenen algorithmischen Reihe berechnet werden, und dadurch Ermitteln der Abweichung der berechneten von den tatsächlichen Zeitableitungs-Stromablesewerten und Verwenden der Abweichung zum Anpassen von Koeffizienten der algorithmischen Reihe.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei für die Zwecke des Vergleichs angenommen wird, daß der eine oder die mehreren berechneten Werte Null sind, so daß die Gruppe von Ablesewerten direkt dazu verwendet wird, neue Koeffizienten der algorithmischen Reihe zu erhalten.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es den Schritt des Filterns eines Rauschens aus den Messungen der Zeitableitung des magnetischen Felds und der Spannung vor dem Schritt des Berechnens umfaßt, wobei Filter verwendet werden, die identische Phasenverschiebungen ergeben, und wobei nach dem Schritt des Berechnens jeder harmonische Oberschwingungskoeffizient mit einem geeigneten Faktor multipliziert wird, um die Dämpfung sowohl der Messung der magnetischen Feldableitung als auch der entsprechenden Spannungsmessung zu korrigieren.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Messens der Zeitableitung des magnetischen Felds folgende Schritte umfaßt: Verwenden einer Sondenspule (24), die einen mit einem Spalt versehenen ferromagnetischen Kern (25) hat, der um den Leiter (11, 12) herum verläuft; und Aufbringen einer magnetomotonschen Kraft auf den Kern (25), die eine Frequenz hat, die nicht eine harmonische Oberschwingung der Frequenz des von dem Leiter (11, 12) geführten Wechselstroms ist, um Effekte einer Kern-Remanenz zu beseitigen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Größenordnung der magnetomotorischen Kraft klein ist im Vergleich zu der Größenordnung der gemessenen Zeitableitung des magnetischen Felds bei Vollausschlag.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei es den Schritt des Konvertierens der Messung der Zeitableitung des magnetischen Felds in einen digitalen Wert vor dem Schritt der mathematischen Näherung umfaßt.

13. Digitales Meßgerät (10) zum Messen eines elektrischen Energieverbrauchs bei einer Übertragungsleitung, die mehrere Übertragungsleitungsleiter (11, 12, 13) aufweist, die Wechselstrom führen, wobei das Meßgerät folgende Merkmale aufweist:

- einen Aufnehmer (16, 17) zum Messen der Zeitableitung des magnetischen Felds, das durch den elektrischen Strom in jedem der Leiter (11, 12) induziert wird, wodurch ein Ablesewert proportional zu der Zeitableitung des Stromflusses erhalten wird;

- Spannungsmeßeinrichtungen (23) zum Messen der Spannung zwischen jedem Leiter (11, 12) und einem Masseleiter (13) der Übertragungsleitung; und

- digitale Computereinrichtungen (30), die an den Aufnehmer (16, 17) und an die Spannungsmeßeinrichtungen (23) angeschlossen sind und die programmiert sind für ein Darstellen der Zeitableitung des Stroms mittels einer algorithmischen Reihe zum Ausdrücken zyklischer Phänomene; zum Berechnen einer Näherung der über die Übertragungsleitung zugeführten Leistung durch Berechnen eines Leistungsablesewerts für jeden Leiter aus der Zeitableitung des Stroms, wie sie durch die algorithmische Reihe ausgedrückt ist, und aus der Spannungsmessung; und zum Addieren aufeinander folgender Näherungen der Leistung, um eine Zahl zu erhalten, die der über die Übertragungsleitung verbrauchten Energie proportional ist.