FI119261B - Mittareiden kalibrointimenetelmä ja järjestelmä - Google Patents

Description

119261

Mittareiden kalibrointimenetelmä ja järjestelmä

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kalibrointimenetelmä.

5

Keksinnön kohteena on myös järjestelmä mittareiden kalibroimiseksi.

Energiamittauksissa kaukoluenta on lisääntymässä merkittävästi. Varsinkin Ruotsissa ja muissa Pohjoismaissa paine tähän suuntaan on suuri. Myös Kiinassa, missä energiapula 10 on valtava, on painetta siirtyä kaukoluentaan. Kun kaukoluettavat mittarit yleistyvät, on hyvin todennäköistä, että myös energian laatua aletaan seuramaan mittarikohtaisesti.

Tämä siksi, että pelkkä kaukoluenta ja sen mukanaan tuoma tehokkuuden kasvu ei välttämättä riitä kattamaan niitä kustannuksia, jotka sähkölaitoksille kaukoluennasta syntyy. Paikoissa, missä on useita mittareita, on luonnollista, että mittareiden kulutus 15 luetaan ensin tarkemmalla mittarilla ja tämä mittari lähettää tiedot eteenpäin energiayhtiölle. Mittareiden riittävä tarkkuus on tärkeää sekä kuluttajille että energiayhtiöille. Lainsäädäntö mittareiden vakauksesta vaihtelee suuresti maasta toiseen. Kaikissa maissa vaaditaan kuitenkin jokin tapa mittareiden tarkkuuden ... selvittämiseksi. Usein kaikki tietyn iän saavuttaneet mittarit kerätään tarkistettaviksi ja • · J. ! 20 huollon jälkeen palautetaan kentälle tai ne vaihdetaan uusiin. Ottamalla näytteitä huono • · [·,*; mittarikanta voidaan tunnistaa, mutta menetelmä ei takaa kaikkien mittareiden • I· tarkkuutta.

• · • * • · · • · · • · # · .···. Tunnetun tekniikan puutteena on se, että satunnaistaxkistusmenetelmät eivät ole ·· · 25 tarkkoja ja selvästi virheellisiä lukemia antavat mittarit voivat jäädä huomaamatta. Vanhojen mittareiden liian myöhäinen korvaaminen uusilla aiheuttaa merkittävää • * ;***; virheen kasvua ja liian aikainen vastaava operaatio taas lisää kustannuksia merkittävästi.

• · · • * · * · · .···, Keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä kuvatut tunnetun tekniikan ongelmat ja tätä • · „·. 30 tarkoitusta varten aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä mittareiden, erityisesti • · · • · * energiankulutusmittareiden kalibroimiseksi.

• · 119261 2

Keksintö perustuu siihen, että yksinkertaisten mittareiden sununasuuretta mitataan yhdellä tarkemmalla mittarilla ja kaikkien mittareiden toistuvalla ja ainakin likimääräisesti samanaikaisella mittauksella tuotetaan tilastollista tietoa kunkin mittarin yksittäisestä mittaustuloksesta suhteessa summamittarin mittaustulokseen. S Mittaustuloksien tilastollisten ominaisuuksien perusteella ilmaistaan virheelliset mittarit.

Yhdessä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa mitataan sähköenergian kulutusta.

10 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle jäijestelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen S tunnusmerkkiosassa.

15

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaisen menetelmän avulla kaukoluettavan mittarin ympärille ··,·. verkotettujen mittareiden epätarkkuus voidaan mitata ilman että mittareita irrotetaan • · 20 verkosta. Kalliita tarkkuusmittareita tarvitaan ainoastaan murto-osa nykyisestä • · • · .·. : tarpeesta, koska ainoastaan summamittareiden tarvitsee olla tarkkuusmittareita. Koska • «· * • · ....: kilowattituntimittarin hinta on noin 30 € ja nykyisellään yksittäisen GSM:llä : .·. kaukoluettavan mittarin hinta on noin 100 €, mittarin irrottaminen ja kalibrointi ja ·»· · uudelleen asennus on erittäin merkittävä lisäkustannus. Jatkossa mittareiden ··« 25 suhteellinen kustannus pienenee, mutta kalibrointiprosessiin liittyvät kustannukset perinteisillä kalibrointimenetelmillä todennäköisesti kasvavat. Niinpä keksinnön • · mukaisen automaattisen kalibroinnin saaminen sähköverkkoon on erittäin merkittävä ··· . .·. kustannuksia säästävä toimenpide.

·*· • · • · ·♦· 30 Jos vanhoihin mittareihin tuodaan RFID-luenta matkapuhelimella, voidaan myös niiden • · kalibrointiin hyödyntää tässä keksinnössä esiintuotua menetelmää.

· 119261 3

Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheiseen piirustukseen viitaten.

Kuvio 1 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaiseen menetelmään soveltuvaa 5 järjestelmää.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviomaisesti järjestelmä, missä K mittaria 1 on kytketty esim. kerrostalossa olevaan ’’keräilymittariin” 4, joka on kytketty langallisesti tai langattomasti tietoverkkoon 7. Keräilymittarit 4 tai j yksittäistä mittaria 1 on kytketty 10 myös muuntoaseman 2 lähellä oleviin kaukoluettaviin mittareihin 3 ja 5 tietoverkon 7 välityksellä. Arvioinnissamme oletamme, että keräilymittarit 4 ovat selvästi tarkkuusluokaltaan sen takana verkossa olevia mittareita 1 tarkempia. Tässä hakemuksessa mittareita 1 kutsutaan myös kenttämittareiksi. Mittareiden luetut mittaustulokset siirretään tietoverkon avulla palvelimelle 5 laskentatoimia varten.

15

Tarkastellaan ensin yksinkertaista tapausta, missä j mittaria 1 on kytketty esim. kerrostalossa keräilymittariin 4. Oletetaan lisäksi, että mittaustiedot kerätään muistiin säännöllisin välein. Nyt voimme kirjoittaa hetkeen tai aikaperiodiin i liittyvän yhtälön.

·· · LV 20 P£(0 = X(1 + £;)P,(0 + ^.0 • * · .·

• · J

• • *

Yhtälössä £j kuvaa yksittäisen mittarin j (1) hitaasti ajasta riippuvaa systemaattista virhettä ja Pj0 sen nollapistevirhettä. Tässä oletetaan että keräilymittari 4 on tarkka tai * · · • · · .···' siihen liittyvä virhe tunnetaan. Kun olemme tehneet N mittausta, voimme kirjoittaa tulosten perusteella seuraavan matriisiyhtälön • · 25 • ♦ · O Γ'.ωΐ \m m) .· pt(N) pi+il rv 7. Pz(2) _ P2( 1) P2(2) .. P2{N) ε2+1 Ρ2Λ * *** — .. “I- • · » wNu ί^ω pKi2) ·. PAN) Jk+iJ L^.o.

• · • · · * · • · *·· 4 119261

Jos oletamme, että mittaukset on tehty riittävän usein, voimme olettaa että yksittäisen käyttäjän tulokset eivät koireloi täydellisesti toisen mittarin tulosten kanssa. Lisäksi oletamme, että jokaisen käyttäjän tehon käyttö vaihtelee ajan kuluessa. Tämä tarkoittaa matemaattisesti sitä, että yllä olevan yhtälön tehomatriisin determinantti on nollasta 5 poikkeava. Oletamme ensin, että mittareissa 1 ei ole nollapistevirhettä. Nyt voimme ratkaista kunkin yksittäisen mittarin 1 (kaavassa j) suhteellisen epätarkkuuden yhtälöstä '*.] Γ^ο) ^(2) · tv*) r'r/wo! rr = p2(l) P2(2) .. P2(N) />(2) _ 1 _6K\ [/*0) Pf(2) .. PK(N) J [pz(N)\ [l 10

Lisäksi voimme ratkaista virheen hajonnan mittaustulosten perusteella. Epätarkkuuden epävarmuus riippuu tehon käytön hajonnasta eri mittareilla 1 sekä yksittäisten mittareiden 1 että keräilymittarin 4 mittaushajonnasta. Oleellista on kuitenkin se, että ajan kanssa kaikki ne mittarit 1, joiden läpi kulkee tehoa tulevat kalibroiduiksi. Tässä 15 esitetty ratkaisu edellyttää matriisin kääntöoperaatiota, joka vaatii paljon ... prosessoritehoa. Lisäksi virheen epätarkkuuden laskeminen edellyttää matriisin • · I·,!' kääntämisoperaatiota. Matriisin kääntäminen voidaan kuitenkin eliminoida käyttämällä • · ns. rekursiivisia menetelmiä, missä jokaisen uuden mittaustuloksen perusteella ** ·♦ virhevektorin arvoa kokataan. Rekursiivisen menetelmän käyttö mahdollistaa sen, että • · : .·. 20 keräilymittarin 4 prosessori voi estimoida virheen omalla prosessorillaan. Tämä • · · • · » · .·*·. vähentää merkittävästi tiedonsiirtotarvetta mittareiden ja palvelimen S välillä. Tehtaissa, ««· kauppakeskuksissa, kerrostaloissa on kannattavaa mitata jokaisen mittarin lukema 1 s - :y. 10 s välein käyttämällä paikallista tietoverkkoa 7 ja keräilymittari 4 arvioi tulosten • · :***· perusteella mittareiden epätarkkuudet. Tämä tieto voidaan liittää osaksi ’’laatutietoa” ja ··· X 25 lähettää energialaitokselle tarvittaessa esim. 1 h - 1 kk:n välein. Voidaan myös tehdä • ♦ e • · · .···. siten, että tieto mahdollisesta virheellisestä mittarista ja virheen suuruudesta lähetetään • · ·*» vain jos virhe on riittävän suuri ja sen epävarmuus virhettä pienempi. Tilanteessa, jossa • · · ’ *. kaukoluentatiedot siirretään suoraan yksittäiseltä mittarilta energialaitokselle, joudutaan • · laskenta tekemään keskustietokoneessa ja kaukoluentatuloksia pitäisi saada 5 119261 mahdollisimman tiheään, jotta tulosten perusteella mittarin epätarkkuus voitaisiin ratkaista. Sopiva aikaväli tällaisessa tilanteessa on 1 - 10 minuuttia. Mitä harvemmin mittarit luetaan sitä kauemmin mittareiden epätarkkuuden arviointi kestää. Onneksi kuitenkin suuri virhe paljastuu hyvin nopeasti ja näin mittareiden rikkoutuminen 5 havaitaan nopeasti.

Keräämällä tuntitietoja kaikista mittareista sekä pienjänniteverkossa että suurjänniteverkoista menetelmä mahdollistaa tilanteen, missä periaatteessa ainoastaan yksi koko energialaitoksen alla olevan verkon energiaa mittaava mittari joudutaan 10 kalibroimaan. Jos nämä erittäin suuria tehoja mittaavat mittarit korvataan esim. kolmella mittarilla, voidaan kaukoluennan perusteella valvoa myös sitä, onko näistä mittareista jokin mahdollisesti vioittunut. Ottamalla kaukoluenta käyttöön koko verkossa ja soveltamalla edellä kuvattua menetelmää, energialaitos voisi lähes täysin automatisoida mittareiden luotettavuuden seurannan.

15

Niinpä kuvioon 1 viitaten voidaan mittareiden 1 kalibrointimenetelmä mittarin 4 avulla soveltaa vastaavalla tavalla mittareille 4 ylemmän tason keräilymittarin 5 avulla.

.. . Yleisesti laskemalla hajonta huomaamme, että ne mittarit, joiden läpi kulkee vähän • ♦ · ♦ » * 20 tehoa mittarin epätarkkuuden epävarmuus jää suureksi ja päinvastoin ne mittarit, jotka • ♦ · ♦ · *. *. mittavat suuria energialukemia tulevat tarkemmin kalibroiduksi. Jos verkosta otetaan • · · • ·· I tehoa ohi mittarin, malli antaa ymmärtää, että jonkin mittarin epätarkkuus on muuttunut • · . . nopeasti. Jos kuitenkin mittarin epätarkkuus on tyypillisesti hyvin hidas funktio ajasta, • · · on todennäköistä että tällaisessa tapauksessa tehoa otetaan verkosta mittareiden ohi tai • · 25 verkossa on vuoto. Eli seuraamalla mittareiden epätarkkuuden aikakehitystä, voidaan • ,·, päätellä verkon kunto tai mahdollinen sähköverkon väärinkäyttö. Lisäksi jos käy niin, • · · ·♦· · .···, että kaikkien jossakin alaverkossa olevien mittareiden virhe on sama, voidaan epäillä ♦ · ··· .* , että syy on keräilymittarin virheellisessä lukemassa eikä verkossa olevissa mittareissa.

• · · • ·· * l Tietysti keräilymittarin epätarkkuus voidaan arvioida verkon suurjännitepuolella olevien • · • 30 mittareiden avulla.

m « · • · «·· 119261 6

Menetelmä ei ota kantaa siihen, onko sähkölaitoksella oikeus koijata mittarin lukemaa virhetiedon perusteella vai joutuuko se vaihtamaan virheellisen mittarin. Periaatteessa olisi mahdollista, että mittarin lukeman kolaaminen johonkin rajaan asti sallittaisiin, jolloin mittareita ei tarvitsi vaihtaa virheellisen näyttämän takia ollenkaan. Tietysti jos 5 mittarin epätarkkuus johtuu epälineaarisuudesta, ei mittarin lukemaa voida koijata.

Olemme kuvanneet yksinkertaisen menetelmän kilowattituntimittareiden virheen seuraamiseksi kaukoluettavissa verkoissa. Menetelmän käyttöönotto tuo merkittäviä säästöjä energialaitoksille. Lisäksi menetelmä mahdollistaa verkon kunnon seuraamisen 10 sekä mahdolliset väärinkäytökset. Vaikka esimerkissä käsittelimme yksivaiheista tapausta, luonnollisesti menetelmää voidaan käyttää kolmivaiheverkoissa. Jos esim. kerrostalossa kolmivaiheverkko on kytketty kolmivaiheisen summamittarin kautta yksivaiheisiin mittareihin, menetelmän edut jopa korostuvat. Tämä siksi, että yhden vaiheen perään tulee vain kohtuullinen määrä mittareita ja näin mittareiden virhe IS saadaan nopeammin selville. Menetelmää voidaan luonnollisesti käyttää myös kaukolämpömittareissa, mutta verkon tehohäviöiden muutos ja lämpötilamuutokset voivat haitata menetelmän käyttöä. Myös tehtaissa, kaasukentillä jne. virtausmittareissa ko. menetelmää voidaan hyödyntää.

• · · • · · • · • · 20 Kalibrointilaskelmat tehdään jollakin sopivalla tietokoneella S, joka on edullisesti • » • » : kytketty suoraan tietoverkkoon 7 laskentapalvelimeksi. Mittaustulokset voidaan • · tietenkin siirtää laskettavaksi tietokoneelle S muutenkin kuin tietoverkon 7 avulla • * • esimerkiksi sopivan tallennusvälineen kuten siirrettävän kovalevyn tai muun vastaavan e·· · tallennusvälineen avulla.

M· 25 : V: Kuten edellä olevassa esimerkissä on käynyt ilmi, on yksi tyypillinen mitattava suure sähköenergiankulutus. Keksintö on kuitenkin sovellettavissa mihin tahansa , .·. mittaussysteemiin mitattavasta suureesta riippumatta kunhan järjestelmässä «·· .**·. kalibroitavien mittareiden summalukemaa mitataan yhdellä keräilymittarilla, jonka 30 tulisi muodostaa edellä mainittujen useiden mittareiden suureiden tarkan summan.

• · Sähköverkossa tämä toteutuu sijoittamalla keräilymittari johtuneen, joka edustaa alamittarien (esim. kenttämittarien) summavirtaa. Vesimittareiden tai

• I

7 119261 kaukolämpömittareiden puolella keräilymittarin tulee taas mitata sen pääputken virtausta tai energiaa, jonka takana alemman tason mittarit, kuten kenttämittarit sijaitsevat.

5 Menetelmä voidaan toteuttaa myös ohjelmiston avulla paikallisesti kussakin keräilymittarissa.

φ· · • · · • · • · ·· · • ♦ 4 • · • 4 • · t · · • 44 • · • * • ♦ • · · • · · ··♦ · ·** • · • * ··· • ♦ * ♦ ♦ • · · • •4 4 ·♦· • · 4 4 »·· • • 4 • · 4 4 tl • 4 4 4 4 4 4 4 • 4 4 4 4 4 4 4 f 4

Claims (15)

119261

1. Mittareiden kalibrointimenetelmä järjestelmässä, jossa useilla mittareilla (1, j) mitataan haluttua suuretta, yhdellä keräilymittarilla (4) mitataan suuretta, jonka tulisi 5 muodostaa edellä mainittujen useiden mittareiden (1) suureiden summan, tunnettu siitä, että - sekä useiden mittareiden (1) että keräilymittarin (4) mittaustulokset tallennetaan 10 toistuvasti ja ainakin likimain samanaikaisesti, ja - tallennetuista mittaustiedoista ja näiden tallennusajoista muodostetaan malli yksittäisten mittarien (1,/) suhteellisesta mittausvirheestä ja mahdollisesti virheen hajonnasta. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että malli yksittäisten mittarien (1, j) suhteellisesta mittausvirheestä ja mahdollisesti virheen hajonnasta muodostetaan matriisilaskennan menetelmin. * · · • · · • · • »

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan * · energiankulutusta.

• · * · :.· · 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan • * · sähköenergiankulutusta. 25 • · \V

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan * · · *...· vedenkulutusta. « • · · • e e • · • ·

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että malli muodostetaan 30 paikallisesti keräilymittarissa (4). »·« • · • · ··· 119261

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että malli muodostetaan keskitetysti tietoverkon palvelimessa (5).

8. Mittareiden kalibrointijärjestelmä, jossa useat mittarit (1 ,j) on jäljestetty mittamaan 5 haluttua suuretta, ja yksi keräilymittari (4) on järjestetty mittaamaan suuretta, jonka tulisi muodostaa edellä mainittujen useiden mittareiden (1) suureiden summan, tunnettu siitä, että 10. jäijestelmä käsittää välineet sekä useiden mittareiden (1) että keräilymittarin (4) mittaustuloksien tallentamiseksi toistuvasti ja ainakin likimain samanaikaisesti, ja - laskentavälineet (5), joilla tallennetuista mittaustiedoista ja näiden tallennusajankohdista on muodostettavissa malli yksittäisten mittarien (1, j) 15 suhteellisesta mittausvirheestä ja mahdollisesti virheen hajonnasta.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää välineet (5) mallin muodostamiseksi yksittäisten mittarien (1 ,j) suhteellisesta mittausvirheestä ja j' * *: mahdollisesti virheen hajonnasta matriisilaskennan menetelmin. 20 • · Σ/.ϊ

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että mittarit (1, 4) on m sovitettu mittaamaan energiankulutusta.

• * • « · ♦ · · • ♦ · · ·»· ·...* 11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että mittarit (1, 4) on 25 sovitettu mittaamaan sähköenergiankulutusta.

• · • ♦ · • · · • · • · · • · *·.·* 12. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että mittarit (1, 4) on : * : sovitettu mittaamaan vedenkulutusta. • · • · • * • * * 1

13. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että laskentavälineet (5) φ . * * *. sij aitsevat keräilymittareissa (4). • · * 119261

14. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että laskentavälineet (5) on keskitetty tietoverkkoon (7).

15. Tietokoneohjelmatuote, joka toteuttaa jonkun vaatimuksen 1 - 6 mukaisen 5 kalibrointimenetelmän. • * · • · · • · • · ♦ * · • « · * » • · • · * · · * · · • » • # • · • · · * · · · · · * * · • * • ♦ ♦ ·« · • « · * · » • · • · · • · • · • · · • · · * · » • · • · • · · • · • · * · * • * • · • ♦♦ ··* • · φ · • · · 119261