DE212013000286U1

DE212013000286U1 - Messsystem

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Publication number: DE212013000286U1
Application number: DE212013000286.6U
Authority: DE
Original assignee: IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Current assignee: IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2015-10-09
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: WO2014127788A1; US20160003874A1; CN205691648U

Abstract

Messsystem zur Messung von elektrischen Messgrößen (I1, I2, I3, U12, U23, U13) in einer elektrischen Anlage, insbesondere in einer Mittelspannungsanlage oder in einer Hochspannungsanlage, mit a) mehreren Sensoren (1–3, 8–10), die jeweils mindestens eine elektrischen Messgröße (I1, I2, I3, U12, U23, U13) messen und ein der Messgröße (I1, I2, I3, U12, U23, U13) entsprechendes Messsignal ausgeben, gekennzeichnet durch b) eine zentrale Auswertungseinheit (7, 14), welche die Messsignale von den Sensoren (1–3, 8–10) empfängt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Messung von elektrischen Messgrößen in einer elektrischen Anlage, insbesondere in einer Mittelspannungsanlage oder in einer Hochspannungsanlage.
Bei solchen Mittelspannungs- bzw. Hochspannungsanlagen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, bestimmte elektrische Messgrößen (z. B. Strom, Spannung) durch Sensoren zu messen, die dann beispielsweise bei einem Fehlerfall eine Notabschaltung herbeiführen.
Derartige bekannte Messsysteme für Mittelspannungs- bzw. Hochspannungsanlagen ermöglichen jedoch kein umfassendes Bild über den Gesamtzustand der jeweiligen Mittelspannungs- bzw. Hochspannungsanlage.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Messsystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Messsystem gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Die Erfindung sieht eine zentrale Auswertungseinheit vor, welche von den einzelnen Sensoren in der elektrischen Anlage Messsignale empfängt, die den elektrischen Messgrößen entsprechen. Die zentrale Auswertungseinheit wertet dann die empfangenen Messsignale aus und erhält so ein umfassendes Bild über den Gesamtzustand der überwachten elektrischen Anlage.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt mindestens einer der Sensoren auf einem hochspannungsnahen Potenzial, insbesondere auf einem Hochspannungspotenzial oder auf einem Mittelspannungspotenzial. Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff von Mittelspannung umfasst vorzugsweise eine Spannung im Bereich von 1 kV bis 50 kV, während der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer Hochspannung vorzugsweise einen Spannungsbereich von mehr als 50 kV bezeichnet. Bei dem erfindungsgemäßen Messsystem liegen die Sensoren also vorzugsweise auf Hochspannung bzw. auf Mittelspannung entsprechend dem Spannungsniveau der jeweiligen elektrischen Anlage. Die zentrale Auswertungseinheit liegt dagegen vorzugsweise auf einem erdnahen Potenzial, insbesondere auf einem Erdpotenzial bzw. einem Massepotenzial. Hierbei ist zur erwähnen, dass der Sensor auf dem hochspannungsnahen Potenzial vorzugsweise galvanisch von der Auswertungseinheit auf dem erdnahen Potenzial getrennt ist. Diese galvanische Trennung zwischen den Sensoren einerseits und der zentralen Auswertungseinheit andererseits wird vorzugsweise dadurch ermöglicht, dass die Datenübertragung von den Sensoren zu der zentralen Auswertungseinheit über einen Lichtleiter erfolgt, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die einzelnen Sensoren in der Regel eine Stromversorgung benötigen, um in den Sensoren enthaltene elektronische Bauelemente (z. B. ein ASIC: Application Specific Integrated Circuit) betreiben zu können. Das erfindungsgemäße Messsystem umfasst deshalb vorzugsweise auch mindestens eine Stromversorgungseinheit, welche die Sensoren mit Strom versorgt, wobei die Stromversorgungseinheit vorzugsweise auf einem erdnahen Potenzial liegt, insbesondere auf einem Massepotenzial bzw. einem Erdpotenzial. Wichtig ist hierbei, dass die Stromversorgungseinheit auf dem erdnahen Potenzial galvanisch von den Sensoren auf dem hochspannungsnahen Potenzial getrennt ist.
Eine technische Möglichkeit zur Realisierung dieser galvanischen Trennung zwischen der Stromversorgungseinheit einerseits und den Sensoren andererseits besteht darin, dass die Stromversorgungseinheit über einen Lichtleiter mit den Sensoren verbunden ist und die erforderliche Energie zum Betrieb der Sensoren in Form von Licht überträgt. Hierbei enthält die Stromversorgungseinheit eine Lichtquelle (z. B. Laser, Laserdiode, etc.), die ein intensives Licht erzeugt, das über den Lichtleiter zu den einzelnen Sensoren übertragen wird, wo das übertragene Licht dann durch eine Solarzelle in den zum Betrieb des jeweiligen Sensors erforderlichen elektrischen Strom umgewandelt wird.
Eine andere Möglichkeit zur technischen Realisierung der galvanischen Trennung zwischen der Stromversorgungseinheit einerseits und den Sensoren andererseits besteht darin, in der Stromversorgungseinheit einen Transformator vorzusehen, der über ein hochspannungsisoliertes Kabel mit den einzelnen Sensoren verbunden ist. Wichtig ist hierbei, dass das Isolationsvermögen des Transformators sowie des hochspannungsisolierten Kabels ausreichend ist, um das Spannungsniveau der Sensoren gegenüber dem Spannungsniveau der Stromversorgungseinheit zu isolieren.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mindestens einer der Sensoren ein Stromsensor, der einen elektrischen Strom in einer Stromleitung misst. Vorzugsweise enthält der Stromsensor hierzu einen niederohmigen Strommesswiderstand (”Shunt”), der elektrisch in Reihe in die Stromleitung geschaltet ist und von dem zu messenden elektrischen Strom durchflossen wird. Derartige niederohmige Strommesswiderstände sind beispielsweise aus EP 0 605 800 A1 bekannt, so dass der Inhalt dieser Patentanmeldung hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise des Strommesswiderstandes der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Darüber hinaus enthält der Stromsensor vorzugsweise eine Messschaltung, welche entsprechend der bekannten Vierleitertechnik den Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand misst und ein dem Spannungsabfall entsprechendes Messsignal ausgibt, wobei dieses Messsignal entsprechend dem ohmschen Gesetz ein Maß für den Strom ist, der durch die Stromleitung fließt. Beispielsweise kann die Messschaltung als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ausgebildet sein, wie beispielsweise aus EP 1 363 131 A1 bekannt ist, so dass der Inhalt dieser Patentanmeldung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise der Messschaltung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Stromsensor vorzugsweise sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom mit unterschiedlichen Frequenzanteilen geeignet ist.
Darüber hinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Messsystem vorzugsweise einer der Sensoren ein Spannungssensor, der eine Spannung der jeweiligen Stromleitung misst. Der Spannungssensor kann hierbei in der gleichen Weise aufgebaut sein wie der vorstehend beschriebene Stromsensor und die Spannung über einen hochohmigen Spannungsteiler messen, was an sich aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält mindestens einer der Sensoren einen Analog/Digital-Wandler, der einen analogen Messwert der elektrischen Messgröße in ein digitales Messsignal umwandelt, das dann von dem Sensor zu der zentralen Auswertungseinheit übertragen wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Analog/Digital-Wandler um einen 1-Bit-Sigma/Delta-Analog/Digital-Wandler, wie er beispielsweise auch aus EP 1 363 131 A1 als Bestandteil eines ASIC bekannt ist.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die zentrale Auswertungseinheit zur Kommunikation mit den Sensoren vorzugsweise eine erste digitale Datenschnittstelle aufweist. Darüber hinaus verfügt die zentrale Auswertungseinheit zur Datenausgabe vorzugsweise über eine zweite digitale Datenschnittstelle, wie beispielsweise eine Ethernet-Schnittstelle, eine parallele Datenschnittstelle oder serielle Datenschnittstelle, wie beispielsweise eine RS485-Schnittstelle oder eine CAN-Bus-Schnittstelle. Die zentrale Auswertungseinheit empfängt also von den einzelnen Sensoren Messsignale entsprechend den jeweiligen elektrischen Messgrößen, wobei diese Messsignale dann in der zentralen Auswertungseinheit ausgewertet werden. In Abhängigkeit von der Signalauswertung kann die zentrale Auswertungseinheit dann über die zweite digitale Datenschnittstelle Daten ausgeben, welche den Zustand der elektrischen Anlage wiedergeben.
Hierbei ist zu erwähnen, dass die erste digitale Datenschnittstelle für die Kommunikation mit den Sensoren vorzugsweise eine wesentlich größere Datenübertragungsrate aufweist als die zweite digitale Datenschnittstelle, die für die Datenausgabe der zentralen Auswertungseinheit vorgesehen ist. Dies ist sinnvoll, weil die Messung durch die einzelnen Sensoren vorzugsweise in Echtzeit erfolgt, was eine entsprechend hohe Datenübertragungsrate zwischen den Sensoren und der zentralen Auswertungseinheit voraussetzt, wohingegen die Datenausgabe durch die zentrale Auswertungseinheit nicht in Echtzeit erfolgen muss.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Auswertungseinheit einen Mikroprozessor zur Auswertung der von den Sensoren empfangenen Messsignale, wobei der Mikroprozessor von mindestens einer der Messgrößen eine abgeleitete Größe bestimmt, wie beispielsweise Effektivwert, Frequenz oder Oberwellenanteil der jeweiligen elektrischen Messgröße.
Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass der Mikroprozessor aus den Messsignalen von mindestens zwei verschiedenen Sensoren eine abgeleitete Größe bestimmt. Falls es sich bei dem einen Sensor beispielsweise um einen Stromsensor und bei dem anderen Sensor um einen Spannungssensor handelt, so kann der Mikroprozessor aus den zugehörigen Messsignalen der beiden Sensoren den Phasenwinkel bestimmen, die Wirkleistung oder die Scheinleistung.
Es wurde bereits vorstehend kurz erwähnt, dass die galvanische Trennung zwischen den Sensoren einerseits und der zentralen Auswertungseinheit andererseits dadurch realisiert werden kann, dass die zentrale Auswertungseinheit durch Lichtleiter mit den Sensoren verbunden ist. Die Sensoren weisen deshalb vorzugsweise elektro-optische Wandler auf, welche die elektrische Messgröße in das optische Messsignal umwandeln, das dann über einen Lichtleiter zu der Auswertungseinheit übertragen wird. Die Auswertungseinheit weist dann entsprechend einen opto-elektrischen Wandler auf, der das optische Messsignal wieder in ein elektrisches Messsignal umwandelt. Hierbei besteht auch die Möglichkeit einer bidirektionalen Datenübertragung zwischen der zentralen Auswertungseinheit einerseits und den Sensoren andererseits.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Sensoren die Messgröße vorzugsweise mit einer Abtastfrequenz von mindestens 4 kHz, 16 kHz oder sogar mindestens 40 kHz abtasten, um auch einen hochdynamischen Verlauf der Messgröße erfassen zu können.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die überwachte elektrische Anlage mehrere Stromleitungen, die beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstromnetz bilden können, wobei zusätzlich ein Neutralleiter vorgesehen sein kann. Hierbei ist vorzugsweise jeder der Stromleitungen ein Stromsensor zugeordnet, der den elektrischen Strom durch die jeweilige Stromleitung misst. Die einzelnen Stromsensoren sind hierbei vorzugsweise mit einer ersten Auswertungseinheit verbunden, welche die elektrischen Ströme durch die Stromleitungen überwacht. Darüber hinaus sind hierbei vorzugsweise mehrere Spannungssensoren vorgesehen, die das elektrische Potenzial der einzelnen Stromleitungen messen und zwar vorzugsweise in Bezug auf eine andere Stromleitung oder auf den Neutralleiter. Die Spannungssensoren sind hierbei vorzugsweise mit einer zweiten Auswertungseinheit verbunden, welche die Spannungen der einzelnen Stromleitungen erfasst und auswertet. Die eine Auswertungseinheit ist also in dem Dreiphasen-Wechselstromnetz für die Stromüberwachung zuständig, während die andere Auswertungseinheit für die Spannungsüberwachung zuständig ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese beiden Auswertungseinheiten miteinander verbunden, beispielsweise über eine Synchronisationsschnittstelle, die es ermöglicht, die beiden Auswertungseinheiten zeitlich zu synchronisieren, so dass Strommessung einerseits und Spannungsmessung andererseits jeweils zum selben Zeitpunkt erfolgen.
Darüber hinaus können die beiden Auswertungseinheiten für Strom- und Spannungsüberwachung auch durch eine Datenschnittstelle miteinander verbunden sein, um Daten über die Messsignale austauschen zu können.
Bei der überwachten elektrischen Anlage muss es sich jedoch nicht um eine Anlage mit einem Dreiphasen-Wechselstromnetz handeln. Vielmehr eignet sich die Erfindung auch zur Überwachung einer elektrischen Anlage mit einem Einphasen-Wechselstromnetz oder einem Gleichstromnetz.
Schließlich ist noch zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Messsystem vorzugsweise eine Spannungsfestigkeit von mindestens 1 kV, 5 kV, 10 kV oder 20 kV in Bezug auf die elektrische Spannung der Messgrößen hat. Hierbei ermöglicht das Messsystem vorzugsweise einen Strommessbereich von mindestens 100 A, 500 A, 1 kA, 5 kA oder 10 kA in Bezug auf den Maximalwert des elektrischen Stroms der Messgrößen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messsystems für eine elektrische Anlage mit einem Dreiphasen-Wechselstromnetz,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems für ein Einphasen-Wechselstromnetz,
3 eine schematische Darstellung der zentralen Auswertungseinheit des erfindungsgemäßen Messsystems,
4 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Stromversorgung der Sensoren über Lichtleiter,
5 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Stromversorgung der Sensoren über einen Transformator und ein hochspannungsisoliertes Kabel,
6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer integrierten Solarzelle zur Stromversorgung,
7 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors, der über ein hochspannungsisoliertes Kabel mit Strom versorgt wird, sowie
8 eine Abwandlung von 1.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem zur Messung von elektrischen Strömen I1, I2, I3 und elektrischen Spannungen U12, U23, U13 in einem Dreiphasen-Wechselstromnetz mit drei Stromleitern L1, L2, L3 und einem Neutralleiter N, wobei derartige Dreiphasen-Wechselstromnetze an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind und deshalb nicht näher beschrieben werden müssen.
In den Stromleitern L1, L2, L3 ist jeweils ein Stromsensor 1, 2 bzw. 3 angeordnet, um die elektrischen Ströme I1, I2 bzw. I3 in den Stromleitern L1, L2 bzw. L3 zu messen. Der Aufbau und die exakte Funktionsweise der einzelnen Stromsensoren 1–3 wird später noch detailliert anhand der 6 und 7 beschrieben. An dieser Stelle ist lediglich zu erwähnen, dass die einzelnen Stromsensoren den jeweils gemessenen elektrischen Strom I1, I2 bzw. I3 in ein entsprechendes Messsignal umwandeln und dieses über einen Lichtleiter 4, 5 bzw. 6 an eine Auswertungseinheit 7 übertragen.
Darüber hinaus umfasst das Messsystem drei Spannungssensoren 8, 9, 10, welche die Spannungen U12, U23 bzw. U13 zwischen den Stromleitern L1, L2, L3 messen. Der Aufbau und die Funktionsweise der Spannungssensoren 8–10 wird später noch detailliert beschrieben. An dieser Stelle ist lediglich zu erwähnen, dass die Spannungssensoren 8–10 die gemessene Spannung U12, U23 bzw. U13 in ein entsprechendes Messsignal umwandeln und über Lichtleiter 11, 12 bzw. 13 an eine weitere Auswertungseinheit 14 übertragen.
Die Auswertungseinheit 7 erhält also von den Stromsensoren 1–3 über die Lichtleiter 4–6 Messsignale der Ströme I1, I2 bzw. I3, während die Auswertungseinheit 14 von den Spannungssensoren 8–10 über die Lichtleiter 11–13 Messsignale der Spannungen U12, U23 bzw. U13 erhält.
Die beiden Auswertungseinheiten 7, 14 sind untereinander durch eine Synchronisationsleitung SYNC verbunden, um die Messungen der beiden Auswertungseinheiten 7, 14 zu synchronisieren. Diese Synchronisation über die Synchronisationsleitung SYNC stellt sicher, dass die Messung der Ströme I1, I2 bzw. I3 zum gleichen Zeitpunkt stattfindet wie die Messung der Spannung U12, U23 bzw. U13. Dies ist beispielsweise wichtig, wenn aus den Strömen I1, I2, I3 einerseits und den Spannungen U12, U23, U13 andererseits abgeleitete Größen berechnet werden sollen, wie beispielsweise Phasenwinkel oder die Scheinleistung.
Darüber hinaus sind die Auswertungseinheiten 7, 14 untereinander auch über eine Datenverbindung DATA LINK miteinander verbunden, um die Messergebnisse der Ströme I1, I2, I3 und der Spannungen U12, U23, U13 untereinander austauschen zu können. Auch dies ist wichtig, wenn aus den Strömen I1, I2, I3 einerseits und den Spannungen U12, U23, U13 andererseits abgeleitete Größen berechnet werden sollen.
Die Auswertungseinheit 7 kann dann aus den Messwerten der Ströme I1, I2, I3 und der Spannungen U12, U23, U13 abgeleitete Größten berechnen, die sowohl Spannung als auch Strom berücksichtigen, wie beispielsweise Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung einerseits, Wirkleistung oder Scheinleistung.
Weiterhin kann die Auswertungseinheit 7 aus den einzelnen Messwerten der Ströme I1, I2, I3 und der Spannungen U12, U23, U13 abgeleitete Größen berechnen, die jeweils nur Strom oder Spannung berücksichtigen, wie beispielsweise Effektivwert, Frequenz oder Oberwellenanteil.
Diese abgeleiteten Größen können dann von der Auswertungseinheit 7 über eine schematisch dargestellte Schnittstelle 15 ausgegeben werden. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Datenübertragung über die Lichtleiter 4–6, 11–13 mit einer wesentlich größeren Datenübertragungsrate erfolgt als die Datenübertragungsrate über die Schnittstelle 15. Dies ist sinnvoll, da eine Messung der Ströme I1, I2, I3 und der Spannungen U12, U23, U13 in Echtzeit erfolgen sollte, was eine entsprechend große Datenübertragungsrate auf den Lichtleitern 4–6, 11–13 voraussetzt. Im Gegensatz dazu stellt die Übertragung der abgeleiteten Größen über die Schnittstelle 15 wesentlich geringere Anforderungen an die Datenübertragungsrate.
2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die selben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass hierbei nur ein Stromleiter L1 und ein Neutralleiter N vorhanden sind, wobei es sich wahlweise um ein Gleichspannungsnetz oder um ein Einphasen-Wechselstromnetz handeln kann.
3 zeigt schematisch den Aufbau der Auswertungseinheit 7 mit einer optischen Schnittstelle 16, einem Mikrocomputer 17 und einer Ethernet-Schnittstelle 18 zur Ausgabe der abgeleiteten Größen durch die Auswertungseinheit 7.
Die optische Datenübertragung zwischen dem Stromsensor 1 und der Auswertungseinheit 7 über den Lichtleiter 4 bietet wie auch bei den anderen Stromsensoren 2, 3 und den Spannungssensoren 8–10 den Vorteil einer galvanischen Trennung der Auswertungseinheiten 7 bzw. 14 gegenüber den Stromsensoren 1–3 bzw. den Spannungssensoren 8–10. Diese galvanische Trennung ist auch erforderlich, weil die Stromsensoren 1–3 und die Spannungssensoren 8–10 auf einem Hochspannungspotenzial liegen, während die Auswertungseinheiten 7, 14 auf einem Massepotenzial oder auf einem Niederspannungspotenzial liegen.
4 zeige eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Stromversorgung der Stromsensoren 1–3 bzw. der Spannungssensoren 8–10. Beispielhaft ist hierbei lediglich die Stromversorgung des Stromsensors 1 dargestellt, jedoch funktioniert die Stromversorgung der anderen Stromsensoren 2, 3 und der Spannungssensoren 8–10 in gleicher Weise.
So weist das erfindungsgemäße Messsystem zur Stromversorgung eine Stromversorgungseinheit 19 auf, die von einer Versorgungsspannung V_CC = +24 V mit Strom versorgt wird. In der Stromversorgungseinheit 19 befindet sich eine starke Lichtquelle, die ihr Licht über einen Lichtleiter 20 an den Stromsensor 1 überträgt. In dem Stromsensor 1 befindet sich eine Solarzelle 21 (vgl. 6), die das von der Stromversorgungseinheit 19 über den Lichtleiter 20 übertragene Licht in elektrischen Strom zur Stromversorgung des Stromsensors 1 umwandelt.
Weiterhin ist aus dieser Darstellung ersichtlich, dass sich der Stromsensor 1 in einem Hochspannungsbereich befindet, während sich die Auswertungseinheit 7 und die Stromversorgungseinheit 19 in einem Niederspannungsbereich befinden, wobei der Niederspannungsbereich durch eine Hochspannungsisolierung 22 von dem Hochspannungsbereich getrennt ist. Die Verbindung zwischen dem Stromsensor 1 in dem Hochspannungsbereich einerseits und der Auswertungseinheit 7 und der Stromversorgungseinheit 19 in dem Niederspannungsbereich andererseits erfolgt hierbei ausschließlich über die beiden Lichtleiter 4, 20, wodurch eine galvanische Trennung bewirkt wird.
5 zeigt eine Abwandlung der Stromversorgung gemäß 4, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die selben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieser Variante besteht darin, dass die Stromversorgungseinheit 19 keine Lichtquelle aufweist, sondern einen Transformator, so dass auch der Stromsensor 1 keine Solarzelle aufweist. Der Transformator in der Stromversorgungseinheit 19 ist hierbei über ein hochspannungsisoliertes Kabel 20 mit dem Stromsensor 1 verbunden. Die elektrische Isolation wird hierbei also durch die Isolation des Transformators sowie durch das hochspannungsisolierte Kabel 20 bewirkt.
6 zeigt schematisch den Aufbau des Stromsensors 1, wobei die anderen Stromsensoren 2, 3 und die Spannungssensoren 8–10 in gleicher Weise aufgebaut sind. Allerdings messen die Spannungssensoren 8–10 die Spannungen U12, U23, U13 jeweils über einen hochohmigen Spannungsteiler.
Zum einen enthält der Stromsensor 1 einen niederohmigen Strommesswiderstand 23 (”Shunt”), wie er beispielsweise aus EP 0 605 800 A1 bekannt ist.
Weiterhin enthält der Stromsensor 1 ein ASIC, wie es beispielsweise aus EP 1 363 131 A1 bekannt ist. Das ASIC 24 misst entsprechend der bekannten Vierleitertechnik den Spannungsabfall über dem niederohmigen Strommesswiderstand 23, wobei dieser Spannungsabfall entsprechend dem Ohmschen Gesetz ein Maß für den Strom I1 ist.
Darüber hinaus enthält der Stromsensor 1 in diesem Ausführungsbeispiel die bereits erwähnte Solarzelle 21, die über den Lichtleiter Licht von der Stromversorgungseinheit 19 empfängt, wie bereits vorstehend beschrieben wurde. Die Solarzelle 21 versorgt also den ASIC 24 mit dem zum Betrieb erforderlichen elektrischen Strom.
Schließlich enthält der Stromsensor 1 noch eine optische Schnittstelle 25, über die die Messsignale von dem ASIC 24 über den Lichtleiter 4 zu der Auswertungseinheit 7 übertragen werden.
7 zeigt eine Abwandlung des Stromsensors 1 aus 6, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die selben Bezugszeichen verwendet werden.
Ein Unterschied dieses Ausführungsbeispiels besteht in der Stromversorgung, die hierbei nicht über die Solarzelle 21 bewirkt wird, sondern über das hochspannungsisolierte Kabel 20.
8 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die selben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Spannungssensoren 8–10 jeweils die Spannung U1N, U2N bzw. U3N zwischen den einzelnen Stromleitungen L1, L2 bzw. L3 und dem Neutralleiter N messen, wohingegen bei 1 die Spannung U12, U23 bzw. U13 zwischen den einzelnen Stromleitungen L1, L2, L3 gemessen wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Stromsensor
2: Stromsensor
3: Stromsensor
4: Lichtleiter
5: Lichtleiter
6: Lichtleiter
7: Auswertungseinheit
8: Spannungssensor
9: Spannungssensor
10: Spannungssensor
11: Lichtleiter
12: Lichtleiter
13: Lichtleiter
14: Auswertungseinheit
15: Schnittstelle
16: Optische Schnittstelle
17: Mikrocomputer
18: Ethernet-Schnittstelle
19: Stromversorgungseinheit
20: Lichtleiter bzw. hochspannungsisoliertes Kabel
21: Solarzelle
22: Hochspannungsisolierung
23: Strommesswiderstand
24: ASIC
25: Optische Schnittstelle
Data Link: Datenübertragungsleitung
I1: Strom
I1: Strom
I1: Strom
L1: Stromleiter
L2: Stromleiter
L3: Stromleiter
N: Neutralleiter
Sync: Synchronisationsleitung
U12: Spannung zwischen den Stromleitungen L1 und L2
U13: Spannung zwischen den Stromleitungen L1 und L3
U23: Spannung zwischen den Stromleitungen L2 und L3
U1N: Spannung zwischen Stromleitung L1 und Neutralleiter N
U2N: Spannung zwischen Stromleitung L2 und Neutralleiter N
U3N: Spannung zwischen Stromleitung L3 und Neutralleiter N

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0605800 A1 [0011, 0053]
EP 1363131 A1 [0011, 0013, 0054]

Claims

Messsystem zur Messung von elektrischen Messgrößen (I1, I2, I3, U12, U23, U13) in einer elektrischen Anlage, insbesondere in einer Mittelspannungsanlage oder in einer Hochspannungsanlage, mit a) mehreren Sensoren (1–3, 8–10), die jeweils mindestens eine elektrischen Messgröße (I1, I2, I3, U12, U23, U13) messen und ein der Messgröße (I1, I2, I3, U12, U23, U13) entsprechendes Messsignal ausgeben, gekennzeichnet durch b) eine zentrale Auswertungseinheit (7, 14), welche die Messsignale von den Sensoren (1–3, 8–10) empfängt.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens einer der Sensoren (1–3, 8–10) auf einem hochspannungsnahen Potential liegt, insbesondere auf einem Hochspannungspotential oder auf einem Mittelspannungspotential, b) dass die Auswertungseinheit (7, 14) auf einem erdnahen Potential liegt, insbesondere auf einem Erdpotential, und c) dass der Sensor (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential galvanisch von der Auswertungseinheit (7, 14) auf dem erdnahen Potential getrennt ist.
Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (7, 14) über einen Lichtleiter (4–6, 11–13) mit dem Sensor (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential verbunden ist, um das Messsignal auszulesen und die Auswertungseinheit (7, 14) dabei galvanisch von dem Sensor zu trennen.
Messsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, a) dass zur Stromversorgung des Sensors (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential eine Stromversorgungseinheit (19) vorgesehen ist, die mit dem Sensor (1–3, 8–10) verbunden ist und auf einem erdnahen Potential liegt, insbesondere auf einem Erdpotential, und b) dass die Stromversorgungseinheit (19) auf dem erdnahen Potential galvanisch von dem Sensor (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential getrennt ist.
Messsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit (19) einen galvanisch getrennten Transformator aufweist, der über ein elektrisch isoliertes Kabel (20) mit dem Sensor (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential verbunden ist.
Messsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Stromversorgungseinheit (19) eine Lichtquelle aufweist, b) dass der Sensor (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential eine Solarzelle (21) aufweist, um die zum Betrieb des Sensors (1–3, 8–10) erforderliche elektrische Energie zu erzeugen, und c) dass die Lichtquelle in der Stromversorgungseinheit (19) über einen Lichtleiter (20) mit der Solarzelle (21) in dem Sensor (1–3, 8–10) auf dem hochspannungsnahen Potential verbunden ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens einer der Sensoren (1–3, 8–10) ein Stromsensor (1–3) ist, der einen elektrischen Strom in einer Stromleitung (L1, L2, L3) misst, b) dass der Stromsensor (1–3) einen niederohmigen Strommesswiderstand (23) aufweist, der elektrisch in Reihe in die Stromleitung (L1, L2, L3) geschaltet ist und von dem zu messenden elektrischen Strom (I1, I2, I3) durchflossen wird, und c) dass der Stromsensor (1–3) eine Messschaltung (24) aufweist, welche den Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand (23) misst und ein dem Spannungsabfall entsprechendes Messsignal ausgibt, und/oder d) dass der Stromsensor (1–3) geeignet ist, sowohl Gleichströme als auch Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzanteilen zu erfassen.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens einer der Sensoren (1–3, 8–10) einen Analog/Digital-Wandler enthält, insbesondere einen 1-Bit-Sigma/Delta-Analog/Digital-Wandler, der einen analogen Messwert der elektrischen Messgröße in das digitale Messsignal umwandelt, und/oder b) dass die Auswertungseinheit (7, 14) zur Kommunikation mit den Sensoren (1–3, 8–10) eine erste digitale Datenschnittstelle (16) aufweist, und/oder c) dass die Auswertungseinheit (7, 14) zur Datenausgabe eine zweite digitale Datenschnittstelle (18) aufweist, insbesondere eine Ethernet-Schnittstelle, eine parallele Datenschnittstelle oder eine serielle Datenschnittstelle, insbesondere eine RS485-Schnittstelle oder eine CAN-Bus-Schnittstelle, und/oder d) dass die erste digitale Datenschnittstelle (16) eine wesentlich größere Datenübertragungsrate aufweist als die zweite digitale Datenschnittstelle (18).
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Auswertungseinheit (7, 14) einen Mikroprozessor (17) aufweist zur Auswertung der von den Sensoren (1–3, 8–10) empfangenen Messsignale, und/oder b) dass der Mikroprozessor (17) von mindesten einer der Messgrößen (I1, I2, I3, U12, U23, U13) eine abgeleitete Größe bestimmt, insbesondere Effektivwert, Frequenz oder Oberwellenanteil der Messgröße, und/oder c) dass der Mikroprozessor (17) aus den Messgrößen (I1, I2, I3, U12, U23, U13) von mindestens zwei Sensoren (1–3, 8–10) eine abgeleitete Größe bestimmt, insbesondere c1) Phasenwinkel zwischen den Messgrößen (I1, I2, I3, U12, U23, U13), c2) Wirkleistung, wobei die eine Messgröße (I1, I2, I3) ein elektrischer Strom ist, während die andere Messgröße (U12, U23, U13) eine elektrische Spannung ist, oder c3) Scheinleistung, wobei die eine Messgröße (I1, I2, I3) ein elektrischer Strom ist, während die andere Messgröße (U12, U23, U13) eine elektrische Spannung ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens einer der Sensoren (1–3, 8–10) einen elektro-optischen Wandler (25) aufweist, der die Messgröße in das optische Messsignal umwandelt, b) dass der Sensor (1–3, 8–10) über einen Lichtleiter (4–6, 11–13) mit der Auswertungseinheit (7, 14) verbunden ist, um das optische Messsignal von dem Sensor (1–3, 8–10) zu der Auswertungseinheit (7, 14) zu übertragen, und c) dass die Auswertungseinheit (7, 14) einen opto-elektrischen Wandler (16) aufweist, der das optische Messsignal in ein elektrisches Messsignal umwandelt.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Sensoren (1–3, 8–10) die Messgröße (I1, I2, I3, U12, U23, U13) mit einer Abtastfrequenz von mindestens 4 kHz, 16 kHz oder mindestens 40 kHz abtastet.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Sensoren (1–3, 8–10) ein Stromsensor (1–3) und mindestens einer Sensoren (1–3, 8–10) ein Spannungssensor (8–10) ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) mehrere Stromleitungen (L1, L2, L3), in denen jeweils ein elektrischer Strom (I1, I2, I3) fließt und die jeweils auf einem elektrischen Potential liegen, b) mehrere Stromsensoren (1–3), die den elektrischen Strom (I1, I2, I3) in jeweils einer der Stromleitungen (L1, L2, L3) messen, c) eine erste Auswertungseinheit (7), die mit den Stromsensoren (1–3, 8–10) verbunden ist, d) mehrere Spannungssensoren (8–10), die das elektrische Potential jeweils einer der Stromleitungen (L1, L2, L3) messen und zwar insbesondere in Bezug auf eine andere Stromleitung, und e) eine zweite Auswertungseinheit (14), die mit den Spannungssensoren (8–10) verbunden ist.
Messsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, a) dass die beiden Auswertungseinheiten (7, 14) miteinander verbunden sind, insbesondere a1) durch eine Synchronisationsschnittstelle (Sync) zur Synchronisation der beiden Auswertungseinheiten (7, 14) und/oder a2) durch einen Datenschnittstelle (Data Link) zum Datenaustausch zwischen den beiden Auswertungseinheiten (7, 14), und/oder b) dass eine der beiden Auswertungseinheiten (7, 14) zur Datenausgabe die zweite digitale Datenschnittstelle 18) aufweist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Stromleitungen (L1, L2, L3) ein Dreiphasen-Wechselstromnetz bilden, insbesondere mit einem zusätzlichen Neutralleiter (N), und b) dass die Spannungssensoren (8–10) jeweils die Spannung (U12, U23, U13) zwischen zwei der Stromleitungen (L1, L2, L3) messen, oder c) dass die Spannungssensoren (8–10) jeweils die Spannung zwischen einer der Stromleitungen (L1, L2, L3) und dem Neutralleiter (N) messen.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) eine erste Stromleitung (L1), b) eine zweite Stromleitung (N), c) einen Stromsensor (1), der den elektrischen Strom (I1) in der ersten Stromleitung misst (L1), und d) einen Spannungssensor (8), der die elektrische Spannung (U1) zwischen der ersten Stromleitung (L1) und der zweiten Stromleitung (N) misst, e) wobei die Auswertungseinheit (7) mit dem Stromsensor (1) und dem Spannungssensor (8) verbunden ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) eine Spannungsfestigkeit von mindestens 1 kV, 5 kV, 10 kV oder 20 kV in Bezug auf die elektrische Spannung der Messgrößen, und/oder b) einen Strommessbereich von mindestens 100 A, 500 A, 1 kA, 5 kA oder 10 kA in Bezug auf den Maximalwert des elektrischen Stroms der Messgrößen.