Método de medición de potencia y aparato de medición de potencia.

Se facilita un método para medir la potencia P{sub,k}, Q{sub,k} de un k-ésimo componente armónico de una línea de potencia con alta exactitud sin cambiar un tiempo de medición T. El reto anterior se puede alcanzar con un método de calcular la potencia P{sub,k}, Q{sub,k} realizando un cálculo de suma de producto con valores de función que representan una función sinusoidal y una función coseno previamente almacenadas en una memoria (140) y un valor digital de corriente I{sub,D} y un valor digital de voltaje V{sub,D} convertidos por un convertidor A/D (120) en un periodo del k-ésimo armónico de la línea de potencia, calculando la potencia aproximada P{sub,kapp}, Q{sub,kapp} de los valores de suma de producto, promediando una pluralidad de potencias aproximadas P{sub,kapp}, Q{sub,kapp} para hallar la potencia P{sub,kave}, Q{sub,kave}, y corrigiendo la potencia P{sub,kave}, Q{sub,kave} del k-ésimo componente armónico usando valores de corrección E{sub,p}, E{sub,Q} recuperados en base al tiempo de medición y un periodo real T{sub,p} de la línea de potencia

Método de medición de potencia y aparato de medición de potencia.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un método de medición de potencia y un aparato de medición de potencia que lo usa, y más en concreto a un método y aparato para medir una o ambas de la potencia activa y la potencia reactiva de un k-ésimo armónico (k es un número natural incluyendo una onda básica con k=1) de una línea de potencia.

Las mediciones de potencia se utilizan en varios dispositivos de medición tales como un medidor electrónico de potencia, un medidor de potencia, un medidor electrónico de fase, un medidor de potencia armónica, un detector de nivel armónico y análogos. Con el avance de las tecnologías electrónicas, las mediciones de potencia cada vez más dominantes en los últimos años implican convertir un valor de voltaje y un valor de corriente bajo medición a valor digital para calcular la potencia en software.

La figura 2 representa la configuración básica de un medidor de potencia representativo 20 que ha sido usado convencionalmente. El medidor de potencia 20 incluye una unidad sensora que incluye un sensor de voltaje 22 y un sensor de corriente 23 para convertir un valor de voltaje medido y un valor de corriente de una línea de potencia a señales eléctricas que pueden ser manejadas por circuitos electrónicos; un interruptor de selección 24 para enviar selectivamente salidas de la unidad sensora 21; un amplificador 25 para amplificar una señal de salida del interruptor de selección 25 a una señal que puede ser manejada por una unidad de medición 26; incluyendo la unidad de medición 26 un convertidor A/D 27 y un hbox{circuito de procesado 28; y un dispositivo de visualización 29 para indicar valores medidos.}

El interruptor de selección 24 tiene una entrada 1 conectada a la salida del sensor de voltaje 22, una entrada 2 conectada a la salida del sensor de corriente 23, y una entrada 3 conectada a un potencial de tierra. El potencial de tierra se usa para calcular una desviación entre el amplificador 25 y el convertidor A/D 27. El circuito de procesado 28 de la unidad de medición 26 multiplica un valor digital de voltaje por un valor digital de corriente, ambos salidos del convertidor A/D 27, en software para calcular la potencia activa P que es enviada al dispositivo de visualización 29. El dispositivo de visualización 29 no solamente puede presentar numéricamente la potencia activa P, sino que también implica iluminación pulsátil para presentar la indicación.

Cuando la potencia reactiva Q se mide usando la configuración básica descrita anteriormente, hay que desplazar en fase 90 grados un valor de voltaje o un valor de corriente. Así, un método de medición tiene que medir la potencia reactiva Q sin adición de hardware o utilización de circuitos o software de procesado especiales, con el fin de evitar una mayor complejidad y un mayor costo del aparato. Los métodos representativos usados convencionalmente para tales mediciones incluyen un método de desplazamiento de fase basado en filtro (primera técnica relacionada), un método de desplazamiento de fase basado en memoria (segunda técnica relacionada), y un método basado en FET (tercera técnica relacionada). A continuación se describirá brevemente cada técnica relacionada.

En primer lugar, la primera técnica relacionada implica avanzar o retardar 90 grados un valor de voltaje o un valor de corriente usando un filtro, y multiplicarlos después en un circuito de procesado para cálculo, como se hace en la invención descrita en la Patente japonesa número 3369500 (documento de Patente 1). Un ejemplo de este método se describirá con referencia a la figura 3.

Un valor de voltaje de una línea de potencia es convertido por un convertidor A/D para hallar un valor digital de voltaje V_D que se introduce en un filtro de paso bajo (LFP) 31 para retardar la fase 90 grado con el fin de generar un valor digital de voltaje V_delay. A continuación, un circuito de procesado 32 multiplica un valor digital de corriente ID por el valor de voltaje digital retardado V_delay para hallar la potencia reactiva Q.

La figura 4 representa la configuración general del FPB 31 usado en la figura 3. El FPB 31 incluye memorias 41, 42, ..., 45 para almacenar valores digitales de voltaje V₀, V₁, ..., V_n que son retardados cada pulso de reloj, de un valor de voltaje digital corriente V₀ a un valor digital de voltaje V_n detectado N clocks antes; y un sumador 46 para promediar cada valor de voltaje V₀, V₁, V_n para hallar un valor de voltaje digital retardado V_delay. En este caso, como se representa en la figura 5, la fase puede ser retardada 90 grados poniendo una frecuencia de corte fe del FPB 31 más baja que una frecuencia fi de la línea de potencia bajo medición.

La segunda técnica relacionada guarda secuencialmente valores digitales de voltaje V_D para 90 grados de la fase del periodo de una línea de potencia en una memoria, y multiplica los valores de voltaje digital pasados V_D para 90 grados por un valor de corriente digital corriente I_D para hallar la potencia reactiva Q. Un ejemplo de este método se describirá con referencia a la figura 6.

La figura 6 representa valores digitales de voltaje V₀, V₄₅, V₉₀, ..., V₂₂₅ y valores digitales de corriente I₀, I₄₅, I₉₀, ..., I₂₂₅ generados muestreando un valor de voltaje de un valor de corriente, respectivamente, de una línea de potencia a una de frecuencia de 50 Hz (el periodo es 20 ms) cada 2,5 ms, de izquierda a derecha en el tiempo. Los sufijos de V e I indican las fases en base al tiempo de inicio de la medición.

Un circuito de procesado calcula el número de tiempos de muestreo en la fase de 90 grados, y multiplica un valor digital desplazado por el número calculado de tiempos de muestreo para calcular la potencia reactiva Q. En este ejemplo, dado que una señal en el periodo de 20 ms es muestreada cada 2,5 ms, el número de veces en la fase de 90 grados (un cuarto de un periodo) es dos (=20/2,5/4). Consiguientemente, como se representa en la figura 6, la potencia reactiva Q se calcula multiplicando un valor digital de voltaje V_D dos muestras antes, por un valor de corriente digital corriente I_D, tal como Q₀ = V₀xI₉₀, Q₁ = V₄₅xI₁₃₅, ....

La tercera técnica relacionada procesa un valor digital de voltaje medido V_D y el valor digital de corriente I_D para cada frecuencia mediante procesado FFT, como las invenciones descritas en la publicación internacional WO2003/ 081264 (documento de Patente 2) y JP-2005-58043-A (documento de Patente 3). Este método Fourier transforma datos digitales en un periodo de una señal medida y los procesa para cada frecuencia a extraer.

Sin embargo, el método de desplazamiento de fase basado en filtro (primera técnica relacionada) requiere gran capacidad de memoria porque se requiere gran número de datos para desplazar la fase 90 grados en el FPB 31. Además, como se representa en la figura 5, dado que un cambio en la frecuencia produce un cambio de ganancia, las fluctuaciones en la frecuencia de la línea de potencia producirán un cambio en el valor de voltaje digital retardado V_delay.

Por otra parte, en el método de desplazamiento de fase basado en memoria (segunda técnica relacionada) dado que los componentes armónicos contenidos en la línea de potencia no son desplazados en fase 90 grados, la potencia reactiva de los componentes armónicos no puede ser medida. Además, se requiere una memoria para 90 grados del periodo de la línea de potencia. Además, dado que la frecuencia de la línea de potencia fluctúa, no se puede hacer una medición correcta a no ser que el periodo de la línea de potencia sea confirmado antes de la medición. A este respecto, aunque la fase puede ser desplazada 90 grados en respuesta a las fluctuaciones en frecuencia tomando un mayor número de tiempos de muestreo, se requiere una mayor capacidad de memoria para almacenamiento en este caso.

Además, dado que el método basado en FFT (tercera técnica relacionada) requiere una memoria para almacenar datos sobre un periodo, se necesita una gran...

1. Un método de medición de potencia para medir la potencia de un k-ésimo armónico (k es un número natural, incluyendo una onda básica con k=1) de una línea de potencia, incluyendo:

un paso de conversión A/D consistente en muestrear un valor de voltaje y un valor de corriente de la línea de potencia para conversión a un valor digital de voltaje V_D y un valor digital de corriente I_D, respectivamente;

un paso de adquisición de valor de función consistente en adquirir un valor de función S y un valor de función C en un tiempo de muestreo para una función sinusoidal y una función coseno, respectivamente, teniendo dicha función sinusoidal y dicha función coseno un período igual a 1/k de un tiempo de medición establecido arbitrariamente T independiente del período de la línea de potencia;

un paso de cálculo de suma de producto consistente en ejecutar repetidas veces dicho paso de conversión A/D y dicho paso de adquisición de valor de función en un período de muestreo predeterminado T_s en un tiempo igual a 1/k del tiempo de medición T para calcular un valor de suma de producto A_kapp del valor digital de voltaje V_D con el valor de función S, un valor de suma de producto B_kapp del valor digital de voltaje V_D con el valor de función C, un valor de suma de producto A'_kapp del valor digital de corriente I_D con el valor de función S, y un valor de suma de producto B'_kapp del valor digital de corriente I_D con el valor de función C;

un paso de cálculo de potencia consistente en calcular la potencia activa aproximada P_kapp y/o la potencia reactiva aproximada Q_kapp (denominadas a continuación la potencia aproximada P_kapp, Q_kapp) a partir de los valores de suma de producto A_kapp, B_kapp, A'_kapp, y B'_kapp; y

un paso de promediado consistente en promediar una pluralidad de potencias aproximadas P_kapp, Q_kapp calculadas ejecutando repetidas veces dicho paso de cálculo de suma de producto y dicho paso de cálculo de potencia un número predeterminado de veces para hallar la potencia activa P_kave y/o la potencia reactiva Q_kave (denominadas a continuación la potencia P_kave/Q_kave);

un paso de detección de periodo consistente en detectar un período real T_p en la línea de potencia;

un paso de adquisición de valor de corrección consistente en determinar un valor de corrección E_p para la potencia activa y/o un valor de corrección E_Q para la potencia reactiva (denominados a continuación el valor de corrección E_p, E_Q) a partir de un error relativo entre el períodoreal T_p de la línea de potencia y el tiempo de medición T, y

un paso de corrección de la potencia P_kave, Q_kave con los valores de corrección R_p, E_q.

2. Un método de medición de potencia según la reivindicación 1, donde dicho paso de promediado incluye ejecutar de forma continua dicho paso de cálculo de suma de producto y dicho paso de cálculo de potencia un número predeterminado de veces.

3. Un método de medición de potencia según la reivindicación 1, donde dicho paso de promediado incluye ejecutar no periódicamente dicho paso de cálculo de suma de producto y dicho paso de cálculo de potencia un número predeterminado de veces.

4. Un aparato de medición de potencia para medir potencia de un k-ésimo armónico de una línea de potencia, incluyendo:

medios de conversión A/D consistente en muestrear un valor de voltaje y un valor de corriente de la línea de potencia en un período predeterminado T_s para conversión a un valor digital de voltaje V_D y un valor digital de corriente I_D, respectivamente;

medios de almacenamiento para almacenar una tabla de valores de función que representa un valor de función S y un valor de función C cada período de muestreo T_s para una función sinusoidal y una función coseno, respectivamente, teniendo dicha función sinusoidal y dicha función coseno un período igual a un tiempo de medición T; y

medios de cálculo de potencia que tienen una función de cálculo de suma de producto para adquirir un valor digital de voltaje muestreado V_D y valor digital de corriente I_D de dichos medios de conversión A/D y un valor de función S de la función sinusoidal y un valor de función C de la función coseno correspondiente a un tiempo K por un tiempo de muestreo de dichos medios de almacenamiento en un tiempo igual a 1/k del tiempo de medición T para calcular un valor de suma de producto A_kapp del valor digital de voltaje V_D con el valor de función S, un valor de suma de producto B_kapp del valor digital de voltaje V_D con el valor de función C, un valor de suma de producto A'_kapp del valor digital de corriente I_D con el valor de función S, y un valor de suma de producto B'_kapp del valor digital de corriente I_D con el valor de función C, una función de cálculo de potencia para calcular la potencia activa aproximada P_kapp y/o la potencia reactiva aproximada Q_kapp de los valores de suma de producto A_kapp, B_kapp, A_kapp, y B'_kapp, y una función de promediado para promediar una pluralidad de potencias aproximadas P_kapp, Q_kapp calculadas ejecutando repetidas veces dicha función de cálculo de suma de producto y dicha función de cálculo de potencia un número predeterminado de veces para hallar la potencia activa P_kave y/o la potencia reactiva Q_kave,

medios detectores de período para detectar un período real de detección T_p de la línea de potencia;

donde dichos medios de cálculo de potencia comprenden adicionalmente una función para calcular un valor de corrección E_p para potencia activa y/o un valor de corrección E_Q para potencia reactiva a partir de un error relativo entre el período real T_p de la línea de potencia y la medición de tiempo T, y una función para corregir la potencia P_kave/ Q_kave con los valores de corrección E_p, E_Q.

5. Un aparato de medición de potencia según la reivindicación 4, donde:

dichos medios de cálculo de potencia calculan la potencia P_kave, Q_kave promediando la potencia aproximada P_kapp, Q_kapp hallada ejecutando repetidas veces la función de cálculo de suma de producto y la función de cálculo de potencia un número predeterminado de veces en secuencia.

6. Un aparato de medición de potencia según la reivindicación 4, donde:

dichos medios de cálculo de potencia calculan la potencia P_kave, Q_kave promediando la potencia aproximada P_kapp, Q_kapp hallada ejecutando no periódicamente la función de cálculo de suma de producto y la función de cálculo de potencia un número predeterminado de veces.

7. Un aparato de medición de potencia según la reivindicación 4, donde:

dichos medios de almacenamiento guardan además una tabla de valores de corrección que representa una correspondencia del período real T_p de la línea de potencia a los valores de corrección E_p, E_Q y dichos medios de cálculo de potencia incluyen una función para recuperar los valores de corrección E_p, E_Q con referencia a la tabla de corrección de un período detectado de la línea de potencia.

8. Un aparato de medición de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, donde:

dichos medios de almacenamiento son una memoria no volátil (ROM).

9. Un aparato de medición de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, donde:

dicha tabla de valores de función almacenada en dichos medios de almacenamiento es una sola tabla para contener valores de función de una de una función sinusoidal y una función coseno, y

dichos medios de cálculo de potencia recuperan un valor de función desplazado 90 grados en fase para recuperar un valor de función de la otra de la función sinusoidal y la función coseno.

10. Un aparato de medición de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, donde:

dichos medios de conversión A/D son un convertidor A/D de esquema de modulación delta-sigma.