Brevet FR2720834A1 — publié le 19951208

DISPOSITIF DE MESURE D'ENERGIE ELECTRIQUE COMPRENANT UN MULTIPLEXEIUR La présente invention concerne un dispositif de mesure d'énergie électrique comprenant un capteur de courant et un capteur de tension qui fournissent respectivement des signaux de courant et tension à un circuit de multiplexage, les signaux étant alors envoyés à un convertisseur selon un cycle séquentiel des signaux. 1 o Dans le domaine de la mesure d'énergie électrique, il est fréquent qu'un seul convertisseur analogique numérique soit utilisé pour convertir des signaux venant de plusieurs capteurs, pour réduire le coût associé à l'utilisation de 1 5 plusieurs convertisseurs. Pour ce faire on utilise un circuit de multiplexage qui contrôle la séquence de l'envoi des signaux des capteurs au convertisseur. Malheureusement la technique de multiplexage et le temps nécessaire pour convertir chaque signal implique un décalage temporel entre la conversion des valeurs des signaux de tension et de courant. Ce décalage peut devenir significatif si on veut calculer l'énergie instantanée d'un signal ac, puisque la valeur de courant qui est mesurée correspond alors à un point différent du signal en comparaison avec la valeur suivante de tension mesurée. Les problèmes associés avec ce décalage deviennent plus sévères si on veut mesurer la consommation de l'énergie sur chaque phase d'un réseau multiphase en utilisant un seul convertisseur, puisque le temps du cycle d'échantillonnage deviendra plus long. Pour réduire cet erreur on peut essayer simplement de minimiser le décalage entre des mesures par l'utilisation d'un convertisseur ayant un temps rapide de conversion. Des systèmes ont été également proposés qui compensent le décalage entre des mesures pendant une étape suivante de calcul. En particulier, la demande de brevet DE 4 221 057 décrit un système qui somme le produit d'une première mesure de tension et la mesure suivante du courant et le produit de cette mesure de courant et la prochaine mesure de tension, la somme étant corrigée par un facteur basé sur la fréquence du signal et la période de temps entre les échantillons. Ce système nécessite plusieurs étapes de multiplication entre des valeurs de tension et de courant et ne calcule pas une valeur représentant l'énergie io instantanée. Un autre exemple d'un compteur d'énergie électrique ayant un circuit de multiplexage avec des moyens pour compenser le décalage entre des valeurs de tension et de courant échantillonné est décrit dans le brevet GB 1 575 148. La présente invention est caractérisée par des moyens de contrôle électronique qui calculent l'énergie électrique instantanée au temps de mesure d'un échantillon d'un premier signal des signaux de courant ou tension, par une première étape de calcul d'une valeur représentant le premier signal tiré de la valeur du premier signal échantillonné à cet instant et par une deuxième étape de calcul d'une valeur représentant le deuxième signal tiré des valeurs des deux échantillons du deuxième signal qui sont effectuées avant et après l'instant en question, l'étape de calcul du premier ou deuxième signal utilisant également au moins deux autres échantillons du signal pour calculer la valeur représentant le signal. Par cet entrelacement des valeurs des échantillons, les problèmes de décalage peuvent être compensés dans les étapes de calcul. Chaque valeur d'un échantillon peut être corrigée par un coefficient, dont la valeur dépendra des temps relatifs des échantillons. Dans le cas o l'étape de calcul du premier signal utilise trois échantillons et l'étape de calcul du deuxième signal en utilise deux, les valeurs des coefficients relatives aux coefficients du premier signal seront 1/2, 1, 1/2 pour les échantillons pris avant l'instant en question, à cet instant, et après cet instant, respectivement. Egalement, les valeurs relatives aux coefficients du deuxième signal seront 1, 1. L'utilisation des coefficients pour les deux signaux ayant les mêmes valeurs relatives fournit des valeurs du premier et deuxième signal ayant la même grandeur relative. Des coefficients ayant ces valeurs sont utilisés dans le cas o les échantillons alternant de chaque signal sont équidistants en temps. Des différences peuvent se présenter, par exemple, s'il y a un cycle de multiplexage comprenant 1 5 d'autres valeurs pour être converties, o l'échantillon d'un signal n'est pas équidistant aux deux échantillons avoisinants de l'autre signal. Dans ce cas, d'autres coefficients peuvent être fournis pour corriger le décalage des valeurs échantillonnées. L'introduction d'une étape de calcul qui utilise au moins trois échantillons d'un signal pour calculer une valeur correspondant à ce signal apporte également des avantages spécifiques. En particulier, cela permet de définir un filtre décimateur en peigne à trois ou plusieurs coefficients. Par exemple, dans le cas décrit ci- dessus, un filtre de décimateur en peigne ayant les coefficients 1/2, 1, 1/2 peut être défini, le filtre ayant une région d'atténuation plate autour d'une fréquence correspondant à la moitié de la fréquence entre les échantillons de ce signal. En comparaison, un filtre décimateur qui n'utilise que deux composantes définit une courbe d'atténuation ayant un point correspondant à l'atténuation maximale. Pour certains cas il peut y avoir des signaux ajoutés aux signaux de tension ou de courant, par exemple, un signal de perturbation, dit signal de "dither" en anglais, pour améliorer la résolution du convertisseur. Suivant les principes connus de cette technique, il est normalement nécessaire d'enlever le signal de perturbation après la conversion des signaux. Une façon pour ce faire est l'injection à un signal étant mesuré d'un signal de perturbation ayant une fréquence d'une valeur voisine de la moitié de la fréquence i o d'échantillonnage à un signal étant mesuré, ce signal étant supprimé après l'étape de conversion en utilisant un filtre de décimation qui atténue des signaux à cette fréquence. En général, le signal de perturbation a une fréquence qui n'est pas exactement égale à la moitié de la fréquence 1 5 d'échantillonnage et l'utilisation d'un filtre de décimation à deux coefficients avec un seul point d'atténuation a pour effet de laisser encore un peu du signal de perturbation. En comparaison, l'utilisation d'un filtre de décimation ayant au moins trois coefficients assure que le signal de perturbation sera mieux éliminé. Ainsi, la présente invention fournit un système qui compense des décalages entre des valeurs de tension et courant et qui est en particulier apte à être utilisé avec un signal de perturbation pour supprimer ce signal après conversion. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend également des moyens pour ajouter un signal de perturbation au premier signal ayant une fréquence autour de la moitié de la fréquence d'échantillonnage de ce signal. Dans ce contexte, un mode de réalisation qui est particulièrement avantageux utilise un filtre de décimation à trois coefficients qui est défini par l'étape de calcul du premier signal et un filtre de décimation à deux coefficients qui est défini par l'étape de calcul du deuxième signal. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour la suppression complète d'un signal de perturbation après conversion, mais évite des problèmes de complexité de calcul associés aux filtres ayant plus que trois coefficients. Egalement, l'utilisation d'un filtre à deux coefficients pour l'autre signal élimine le décalage entre les signaux. La présente invention peut être utilisée pour mesurer l'énergie électrique sur une seule phase. La présente i o invention s'applique également à un dispositif pour mesurer l'énergie électrique d'un réseau multiphase, ayant un capteur de courant et un capteur de tension pour chaque phase, les moyens de contrôle électronique et le circuit de multiplexage fonctionnant ensemble pour fournir des t 5 signaux de chaque capteur au convertisseur dans un cycle séquentiel, les moyens de contrôle calculant l'énergie électrique instantanée pour chaque phase comme décrit ci- dessus. Dans le domaine du comptage, des signaux de télécommande peuvent être envoyés sur le réseau qui contrôle le fonctionnement d'un compteur. Dans un mode de réalisation, le circuit de multiplexage comprend une entrée apte à recevoir un signal de télécommande, par exemple, d'un 2 5 récepteur de télécommande associé à un des capteurs de tension, cette mesure étant fournie au convertisseur dans le cycle séquentiel avec les autres mesures. Pour maintenir la symétrie du cycle de multiplexage il faut avoir une autre valeur dans le cycle de multiplexage ainsi que la valeur représentant un signal de télécommande pour que le cycle comprenne un numéro pair des échantillons. Pour faciliter l'annulation des tensions parasites dues à la "mémoire" des composants du circuit et, en particulier, les charges associées avec les condensateurs des circuits de commutation, une valeur de tension égale à zéro peut être prise par cette voie. Selon un mode de réalisation les moyens de contrôle électronique contrôlent la connexion d'un autre signal de surveillance représentant une ou plusieurs quantités surveillées à une voie du circuit de multiplexage avec une fréquence moindre que la fréquence d'échantillonnage de cette voie afin que celle-ci soit à zéro pour la plupart du io temps mais qu'elle reçoive par intermittence le signal de surveillance pour le passer au convertisseur. Par ces moyens l'annulation des tensions parasites s'est achevée tandis que le circuit de multiplexage peut passer l'information sur le dispositif d'une autre source au convertisseur. Par exemple, 1 5 l'information concernant l'ouverture du cache des bornes du compteur ou l'état de la source d'alimentation du compteur peut être passé au convertisseur en réponse à un signal de contrôle provenant des moyens de contrôle. Vu les différences de grandeur possibles entre des signaux de courant et tension, dans un mode de réalisation préféré, le signal de zéro et le signal de surveillance se trouvent entre les échantillons de tension et les échantillons de courant dans le cycle de multiplexage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple illustratif et non-limitatif et faisant référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 montre un dispositif de mesure d'énergie électrique pour un réseau triphasé selon un mode de réalisation de la présente invention; La figure 2 montre le cycle de multiplexage et le traitement des échantillons effectués par le dispositif de la Figure 1; La figure 3 montre les deux courbes représentant le comportement des filtres décimateurs à trois et deux coefficients définis par le traitement des échantillons montrés à la Figure 2. La Figure 1 montre un dispositif de mesure d'énergie 1o électrique pour un réseau triphasé. Pour chaque phase il y a un capteur de courant, comprenant un transformateur à inductance mutuelle 1, et un capteur de tension, comprenant un diviseur de tension 2. Le signal de courant du transformateur est fourni à un filtre passe-bas analogique 3 (un filtre antirepliement), suivi d'un correcteur de phase 4, qui corrige les différences de phase restant entre la voie de courant et la voie de tension. Un circuit de perturbation 5 ajoute un signal de perturbation au signal de courant, et un intégrateur 6 intègre les signaux, ce qui est nécessaire du fait que le transformateur à inductance mutuelle fournit un signal représentant la dérivée du courant mesuré. Le signal de tension est aussi fourni à un filtre passe-bas 7, et les signaux de tension et courant sont alors fournis à des entrées I3, V3 d'un multiplexeur 8. Les éléments des circuits 2 5 d'entrée de chaque voie sont répétés pour chaque phase du réseau et ne sont pas montrés ici. Les signaux aux entrées du multiplexeur 8 sont envoyés à un convertisseur analogique numérique 11 dans un cycle séquentiel contrôlé par le multiplexeur 8 et des moyens de contrôle comprenant un microprocesseur 9 et un compteur binaire 10. Le multiplexeur reçoit également des signaux TCC d'un circuit de télécommande centralisée, d'une construction conventionnelle, et un signal de surveillance d'un circuit de surveillance 12. Le circuit de surveillance 12 reçoit des signaux des dispositifs qui détectent l'ouverture du cache des bornes du compteur, l'état de l'alimentation au compteur etc... et fournit des informations sur leur état. Les signaux issus du multiplexeur 8 sont alors convertis en valeurs numériques par le convertisseur 11 et envoyés au microprocesseur 9 pour évaluation. Le contrôle du multiplexage des signaux est fait en utilisant une horloge 13 qui sert de base de temps et qui incrémente le compeur binaire 10 et pilote le microprocesseur 9. La voie to sélectionnée par le multiplexeur 8 est adressée par l'état des sorties 1, 2, 4 du compteur binaire 10, avec un cycle de huit positions. La voie sélectionnée est alors immédiatement convertie par le convertisseur 11. La sortie du circuit de surveillance 12 est à zéro si ce circuit ne reçoit pas une commande du compteur binaire 10. Le microprocesseur 9 synchronise périodiquement le compteur binaire par un signal de remise à zéro; son compteur interne lui permettant de savoir quelle voie est sélectionnée à un instant donné. Normalement le microprocesseur synchronise le compteur à la fin de chaque cycle de huit mesures. Cependant, à des moments déterminés il cesse d'envoyer une remise à zéro et la sortie N du compteur binaire peut alors passer à une valeur 1, pour envoyer un signal pour faire fonctionner le circuit de surveillance 12 et pour commencer un ou plusieurs cycles de mesure sur la voie de surveillance. Quand ces mesures sont finies le microprocesseur recommencera l'envoi des signaux de remise à zéro. Comme il est décrit, pour la plupart du temps le 3 0 microprocesseur remet à zéro le compteur à la fin d'un cycle de huit mesures, la voie de surveillance étant ainsi réservée à des mesures ou contrôles réalisés à une fréquence faible par rapport à la fréquence d'échantillonnage définie par les signaux de l'horloge. Elle est ainsi normalement au potentiel zéro volt pour permettre un meilleur découpage entre la position 7, représentant le dernier échantillonnage de la tension V3, et la position 1, représentant le premier échantillonage du courant Il. Entre ces deux positions, la voie impose un potentiel zéro volt pour annuler des tensions parasites dues aux capacitances et la "mémoire" des circuits de commutation. Le circuit de surveillance est donc mis en oeuvre et synchronisé par la sortie N du compteur binaire, à une fréquence sous-multiple de la fréquence d'échantillonnage, dépendant de N, et à des moments choisis i o par le microprocesseur, donnant une architecture souple et facile à paramétrer. La figure 2 représente le traitement numérique des échantillons d'une phase de tension et courant dans le cycle de multiplexage des mesures. Comme la figure le montre, le décalage entre une mesure de tension U1 et une mesure de courant Il est compensé par une étape de calcul de la tension qui somme les deux valeurs de tension 20, 21 échantillonnées autour d'une valeur de courant 22, et une étape de calcul du courant qui somme la valeur de courant 22 avec les deux valeurs de courant 23, 24 autour de cette valeur. Etant donné que la fréquence d'échantillonnage entre deux mesures est beaucoup plus grande que la fréquence du signal ac qui est mesurée, afin qu'il y ait une relation linéaire entre une séquence de mesures, une représentation de la tension à l'instant correspondant à l'échantillonnage du courant 22 peut être calculée en utilisant les deux mesures , 21, mutipliées par des coefficients relatifs 1, 1. Une fréquence d'échantillonnage typiquement utilisée est entre 5kHz et 8kHz pour un signal alternatif d'une fréquence de Hz. Par cette technique d'entrelacement, les problèmes de décalage entre des mesures de tension et de courant sont ainsi surmontés. Même si on pouvait calculer une valeur d'énergie instantanée en utilisant la valeur de tension calculée et la seule valeur de courant échantillonnée à l'instant 22, il est préférable de calculer une valeur de courant en utilisant trois échantillons de courant, multipliés par les coefficients relatifs 1/2, 1, 1/2. Ce calcul maintient la grandeur relative entre des valeurs de tension et courant et donne des avantages associés avec le filtre numérique qui est défini par ce calcul. En se référant à la Figure 3, la première courbe 31 montre la réponse du filtre défini par le traitement des échantillons de tension. Spécifiquement, un filtre ayant un gain en cos (f) est défini par l'opération Yn = Xn-1 + Xn Ce filtre a un zéro à un point correspondant à la moitié de la fréquence d'échantillonnage et le comportement de ce filtre est montré en haut de la Figure 3. En comparaison, le filtre défini par le traitement des échantillons de courant selon l'opération Yn = Xn-2/2 + Xn-1 + Xn/2 a la forme 32 montrée dans le bas de la Figure 3, c'est-à- dire, un gain en cos2 (f), o il y a une région plate 30 à une fréquence de la moitié de la fréquence d'échantillonnage qui définie la région d'atténuation maximale des signaux. D'autres filtres à quatre coefficients ou plus peuvent également être utilisés pour donner une région d'atténuation plate. Les avantages d'un filtre de ce type sont associés à l'utilisation d'un signal de perturbation, dit signal de "dither" en anglais, ajouté à la mesure de courant pour améliorer la résolution du convertisseur. En se référant à la Figure 1, un filtre antirepliement 3 ayant une fréquence de coupure correspondant à la moitié de la fréquence d'échantillonnage est montré après le capteur de courant 1. Un signal de perturbation est alors ajouté au signal de courant ayant une fréquence qui tombe autour de la fréquence de coupure. Un signal de perturbation typique a la forme d'une onde triangulaire d'une amplitude t o correspondant à plusieurs étapes de quantification. Dans le mode de réalisation présent, le circuit de perturbation est en amont d'un intégrateur 6 et un signal carré est donc ajouté qui deviendra un signal triangulaire après l'intégration. Après la conversion du signal de courant, le signal de perturbation devrait être enlevé. Cela peut se faire dans un mode de réalisation par l'utilisation d'un filtre de décimation du type utilisé avec les signaux de tension, c'est-à-dire un filtre à deux coefficients. Comme la Figure 3 le montre, le signal de perturbation Fd sera atténué par ce filtre. Cependant, étant donné que ce filtre est à zéro en un point seulement et que le signal de perturbation n'est pas en général exactement la moitié de la fréquence d'échantillonnage, il y aura une partie du signal de perturbation qui restera après le filtrage. En comparaison, un filtre de décimation ayant trois ou plusieurs coefficients, c'est-à-dire un filtre du type décrit ci- dessus pour la voie de courant, définit une courbe du type montré en bas de la Figure 3 et ayant une région plate autour de la moitié de la fréquence d'échantillonnage. Ainsi, le signal de perturbation est complètement supprimé par ce filtre. Par ces moyens, la présente invention compense les décalages entre les échantillons de tension et de courant et facilite également la suppression d'un signal de perturbation à la voie de courant. 1 5 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'énergie électrique comprenant un capteur de courant et un capteur de tension qui fournissent respectivement des signaux de courant et tension à un circuit de multiplexage, les signaux étant alors envoyés à un convertisseur analogique numérique dans un cycle séquentiel des signaux, caractérisé en ce que des moyens de contrôle l o électronique calculent l'énergie électrique instantanée au moment de l'échantillonnage d'un premier signal représentant des signaux de courant ou tension utilisant une première étape de calcul d'une valeur représentant le premier signal tiré de la valeur du i5 premier signal échantillonné à cet instant et une deuxième étape de calcul d'une valeur représentant le deuxième signal tiré des valeurs des deux échantillons du deuxième signal qui sont effectuées avant et après l'instant en question, l'étape de calcul du premier ou deuxième signal utilisant également au moins deux autres échantillons du signal pour calculer la valeur représentant le signal. 2. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon la revendication 1, dans lequel l'étape de calcul du premier signal utilise deux autres échantillons du premier signal. 3. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon la revendication 2, dans lequel les valeurs des échantillons du premier signal sont multipliées par des coefficients ayant des valeurs relatives 1/2, 1, 1/2 pour les échantillons pris avant l'instant en question, à cet instant, et après cet instant, respectivement. 4. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les valeurs des échantillons du deuxième signal sont multipliées par des coefficients ayant des valeurs relatives 1, 1. 5. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant également des moyens pour ajouter un signal de lo perturbation au premier signal ayant une fréquence autour de la moitié de la fréquence d'échantillonnage de ce signal. 6. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 apte à mesurer l'énergie électrique de chaque phase d'un réseau multiphase ayant un capteur de courant et un capteur de tension pour chaque phase, les moyens de contrôle électronique et le circuit de multiplexage fonctionnant ensemble pour fournir des signaux de chaque capteur au convertisseur dans un cycle séquentiel. 7. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le circuit de multiplexage comprenant une entrée apte à recevoir un signal de télécommande, cette mesure étant fournie au convertisseur dans le cycle séquentiel avec les autres mesures. 8. Dispositif de mesure de l'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, les moyens de contrôle électronique contrôlant la connexion d'un autre signal représentant une ou plusieurs autres quantités surveillées à une voie du circuit de multiplexage, cette voie étant autrement à zéro, la fréquence de la connexion du signal de surveillance à cette voie étant moindre que la fréquence d'échantillonnage de cette voie afin que cette voie soit à zéro la plupart du temps mais qu'elle reçoive par intermittence le signal de surveillance. 9. Procédure pour mesurer l'énergie électrique utilisant un capteur de courant et un capteur de tension qui fournissent respectivement des signaux de courant et lo tension à un circuit de multiplexage, les signaux étant alors envoyés à un convertiseur analogique numérique dans un cycle séquentiel des signaux, caractérisé en ce que l'énergie électrique instantanée au moment de l'échantillonnage d'un premier signal représentant des ! 5 signaux de courant ou tension est calculée en utilisant une première étape de calcul d'une valeur représentant le premier signal tiré de la valeur du premier signal échantillonné à cet instant et une deuxième étape de calcul d'une valeur représentant le deuxième signal tiré des valeurs des deux échantillons du deuxième signal qui sont effectuées avant et après l'instant en question, l'étape de calcul du premier ou deuxième signal utilisant également au moins deux autres échantillons du signal pour calculer la valeur représentant le signal.