DE2245426B1 - Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung digitaler Meßwerte an Elektnzitatsnetzen - Google Patents

Description

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Durch die Mittelwertbildung werden schnelle Meß- Ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen

wertänderungen unterdrückt, um auf diese Weise Verfahrens,

eine für einen Beobachter stabile Anzeige zu er- Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine

reichen. Trotzdem bleibt die hohe Genauigkeit wegen Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen

der digitalen Signalverarbeitung erhalten. 5 Verfahrens und

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird Fig. 4 das Blockschema eines Ausführungsbei-

zur Ableitung von Blindleistungs- und Blindenergie- spiels für die Recheneinrichtung 24 gemäß F i g. 2

meßwerten eine Quadrierung sowohl der Schein- als bzw. 37gemäß Fig. 3.

auch der Wirkleistung vorgenommen, das Quadrat Zum besseren Verständnis der Ausführungsbeider Wirkleistung vom Quadrat der Scheinleistung io spiele wird zunächst an Hand von Fig. 1 das Beisubtrahiert und das Ergebnis radiziert und zur Blind- spiel einer bekannten Meßeinrichtung beschrieben, energiemessung zusätzlich integriert. Durch diese Von der energieführenden Zweidrahtleitung OR Maßnahme ist es möglich, mit verhältnismäßig ge- werden über einen Stromwandler 1 α und einen Spanringem Aufwand Blindleistung sowie Blindenergie nungswandler 1 b je ein Meßumformer für die Leiprinzipiell exakt zu erfassen, auch bei verzerrten 15 stung2a und für die Spannung 2 ft angeschlossen. Kurvenformen und beliebigen Unsymmetrien in Die Meßumformer liefern je einen der Meßgröße Mehrphasennetzen, ferner bei Abweichungen der proportionalen eingeprägten Gleichstrom von z. B. Grundfrequenz vom Sollwert. Die Messung bleibt 0 ... 5 mA, welcher von Schalttafelinstrumenten 3 auch dann exakt, wenn Verzerrungen, Unsymmetrien angezeigt und registriert wird und über Trennglie- und Frequenzabweichungen gleichzeitig auftreten. ao der 4 potentialgetrennt auf eine digitale Meßeinrich-

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchfüh- tung weitergegeben wird. Die digitale Meßeinrich-

rung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß tung übernimmt die Meßwerte in Form geglätteter

an eine Netzphase angeschlossene Strom- und Span- Gleichspannungen, welche alternierend durch Schal-

nungswandler über Anpaßglieder an eine Abtast- ter5 abgetastet werden und mittels eines Analog/

schaltung angeschlossen sind, der mindestens ein 35 Digital-Wandlers 6 in digitale Form umgesetzt wer-

Analog/Digital-Wandler nachgeschaltet ist, und daß den. Das Abtasten, Speichern und Bereitstellen der

Vorrichtungen zur Mittelwertbildung vorgesehen Meßwerte von Spannung U und Leistung P wird von

sind, welche an den Ausgang des Analog/Digital- einer Steuereinrichtung 7 überwacht, die im allge-

Wandlers angeschlossen sind. Diese Einrichtung ist meinen Bestandteil eines Prozeßrechners ist.

besonders zweckmäßig im Hinblick darauf, daß zu- 30 F i g. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der er-

sammengehörende amplituden- und phasentreue findungsgemäßen Anordnung. Von der energiefüh-

Momentanwerte von Strom und Spannung abgetastet renden Zweidrahtleitung OR werden über je einen

und in Digitalwerte umgesetzt werden. Strom- und Spannungswandler 20 α bzw. 20 b An-

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist dem paßglieder 21 gespeist. Diese stellen der nachfolgen-Analog/Digital-Wandler je ein Halteverstärker für 35 den Einrichtung bezüglich Signalpegel und Impedanz Strom- und Spannungswerte über steuerbare Schalter angepaßte, amplituden- und phasentreue Momentanvorgeschaltet. Die steuerbaren Schalter sind mit einer werte von Strom und Spannung zur Verfügung. Zwei Ablaufsteuerschaltung zur sequentiellen Abfrage der gekoppelte Schalter 22 tasten mit möglichst hoher Halteverstärker verbunden. Durch diese Maßnahme Frequenz gleichzeitig zusammengehörende Mowerden Phasenfehler, welche insbesondere bei der 40 mentanwerte von Strom/(i) und Spannung u (i) ab Messung der Wirkleistung auftreten können, ver- und leiten diese an je einen Analog/Digital-Wandler mieden. Durch die Ablaufsteuerung können mehrere 23 zur Umsetzung in digitale Werte weiter. Für die Kanäle gleichzeitig abgetastet und der Meßwert nach Schalter 22 ist eine relativ hohe Abtastfrequenz vor-Zwischenspeicherung in den Halteverstärkern nach- teilhaft, weil ein möglichst großer Anteil höherer einander an den Analog/Digital-Wandler weitergege- 45 Harmonischer erfaßt werden soll und weil zur späben werden. Es ergibt sich eine besonders wirkungs- teren raschen und genauen Bildung des zeitlichen volle Ausnutzung des Analog/Digital-Wandlers. Mittelwertes eine große Anzahl von Einzelwerten

In einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt die vorliegen muß. Unter diesem Gesichtspunkt wird die Abtastschaltung eine Ablaufsteuerschaltung zur Abtastfrequenz nach bekannten Kriterien festgelegt, sequentiellen Abtastung der Anpaßglieder, wobei die 5° Die zusammengehörenden Werte von Strom und Ablaufsteuerung zur Permutation der abgetasteten Spannung werden anschließend ohne Verlust an GeStrom- und Spannungsanpaßglieder ausgebildet ist, nauigkeit mit einer fest programmierten oder frei derart, daß zum Ausgleich von Phasenfehlern ab- programmierbaren Steuer- und Recheneinrichtung 24 wechselnd ein jüngerer Stromwert mit einem älteren auf digitale Weise zu den interessierenden Werten Spannungswert und darauffolgend ein jüngerer 55 verarbeitet. Als derartige Werte kommen beispiels-Spannungswert mit einem älteren Stromwert korn- weise die Spannung U, der Strom /, die Wirkleibiniert werden. Auch diese Maßnahme dient zur stung P, die Blindleistung Q und die Wirkenergie E Vermeidung von Phasenfehlern, welche sich durch in Betracht. Auf Einzelheiten der Signalverarbeitung diese einfache Maßnahme über die Zeit gut elimi- wird später im Zusammenhang mit Fig. 4 eingenieren lassen. 60 gangen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Parallel zur Ausgabe der digitalen Werte kann

Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. nach Bedarf über Digital/Analog-Wandler 25 eine

Es zeigt Darstellung der digital errechneten Werte in analogen

F i g. 1 das Blockschaltbild einer bekannten Meß- Schalttafelinstrumenten 26 erfolgen,

einrichtung zur Darstellung elektrischer Größen in 65 Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel beschrie-

digitaler Form, am Beispiel von Spannung und Lei- ben, welches auf einen der relativ aufwendigen

stung an einem einphasigen Netz, Analog/Digital-Wandler verzichtet und den verblei-

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer An- benden mehrfach ausnützt. Dazu sind schnell

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arbeitende Funktionsgruppen vorgesehen, welche es dären Stufe II werden aus den Momentanwerten u², z² erlauben, mehrere Meßeingänge im Zeit-Multiplex- und ρ in Mittelwertschaltungen MWB, z. B. Tiefpaß-Verfahren zu verarbeiten. Insbesondere ist es damit filtern oder Integratoren, die zeitlichen Mittelwerte möglich, mehrere Dreiphasensysteme zyklisch zu er- U² _ett, I² _eit und P gebildet sowie in einem Integrator fassen. 5 40 d die lauf ende Integration der momentanen Wirk-

Zu diesem Zweck werden zusammengehörende leistungswerte ρ zur Wirkenergie E durchgeführt.

Momentanwerte von Strom und Spannung gleich- In einer tertiären Stufe III erfolgt in Radizierglie-

zeitig abgetastet und mit analogen Halteverstärkern dern 43 die Radizierung von i/² _eff und Z² _ef£ zur BiI-

kurzzeitig gespeichert, so daß sie von einem einzigen, dung der Effektivwerte von Spannung U_eli und

gemeinsamen Analog/Digital-Wandler nacheinander io Strom /_e££. Weiterhin wird in einem Multiplikator 41

verarbeitet werden können. durch Multiplikation von i7² _e{£ und /² _e£f das Quadrat

Eine entsprechende Anordnung zeigt Fig. 3. Die der ScheinleistungS² gebildet. Aus dem Quadrat der

von einem Stromwandler 30 α und einem Spannungs- Scheinleistung und dem in einem Quadrierglied 44

wandler 30 b gelieferten Werte werden in Anpaß- gewonnenen Quadrat der Wirkleistung wird gemäß

gliedern 31 bezüglich des gewünschten Signalpegels 15 der Beziehung Q = ^s² — P² in einer Differenzschal-

aufbereitet und über synchron abtastende Schalter 32 rung 45 und einem nachfolgenden Radizierglied 46

Halteverstärkern 33 zugeführt. Eine zeitliche Ab- die Blindleistung Q und über einen Integrator 47

laufsteuerung 34 sorgt dafür, daß die in den Halte- deren laufendes Integral, die Blindenergie E₀ ge-

verstärkern 33 gespeicherten Momentanwerte zeitlich bildet. In einem weiteren Radizierglied 48 wird aus

gestaffelt über Schalter 35 von einem Analog/Digital- 20 dem Quadrat der Scheinleistung die Scheinleistung S

Wandler 36 digitalisiert und von einer Rechenein- abgeleitet und in einem weiteren Integrator 49 das

richtung 37 zu den gewünschten Größen verarbeitet laufende Integral der Scheinenergie E₅ gebildet. In

werden. einer Divisionsschaltung 42 wird der Quotient aus

Die Halteverstärker 33 sind zur Vermeidung von Wirk- und Scheinleistung PIQ und damit der Lei-Phasenfehlern vorgesehen, die sich insbesondere bei 25 stungsfaktor λ gebildet.

der Messung der Wirkleistung P auswirken. Mit der Durch die Quadrierung geht bei der Bildung der Verwendung eines einzigen Analog/Digital-Wandlers, Blindleistung Q und des Leistungsfaktors λ das Vorder für seine Operation eine bestimmte Zeit benötigt, zeichen verloren. Es ist daher möglich, die Informakönnen nur abwechselnd zeitlich versetzte Werte von tion über die Vorzeichen aus der zeitlichen Reihen-Spannung und Strom gewonnen werden. Dadurch er- 30 folge der Nulldurchgänge von Spannung und Strom scheint von der Recheneinrichtung 37 her der Strom abzuleiten,
gegenüber der Spannung phasenverschoben. ^: Da die eben erwähnten tertiären Netzgrößen Funk-

Dieser Fehler wird durch die Halteverstärker 33 tionen von sekundären Netzgrößen sind, ist zu ihrer vermieden, da auf ein Signal der Recheneinrichtung Erfassung die Kenntnis der primären Netzgrößen 37 hin sämtliche Kanäle gleichzeitig abgetastet und 35 nicht notwendig. Die tertiären Netzgrößen können in den Halteverstärkern 33 gespeichert werden. Erst durch Stichproben zu einem beliebigen Zeitpunkt aus danach wird durch die Ablaufsteuerung 34 und die den sekundären Netzgrößen gebildet werden, wäh-Schalter 35 ein Halteverstärker 33 nach dem anderen rend für die Bildung der sekundären Netzgrößen die abgefragt, worauf dieser seinen Wert an den gemein- Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der primären Netzsamen Analog/Digital-Wandler 36 abgibt. 40 größen unerläßlich ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es Die Anordnung kann im Hinblick auf die Mittelauch möglich, die eben beschriebene Lösung dahin- wertbildung dahingehend optimiert werden, daß sie ' gehend abzuwandern, daß keine Halteverstärker 33 entweder sehr genaue Meßergebnisse liefert, deren vorgesehen sind, und daß statt dessen abwechslungs- 'Gewinnung jedoch relativ viel Zeit beansprucht, oder weise zuerst der Strom und dann die Spannung und 45" sehr rasch Meßergebnisse zur Verfügung stellt, die das nächste Mal zuerst die Spannung und dann der jedoch weniger genau sind. Der erste Extremfall ist Strom abgetastet werden. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise bei der Energieverrechnung von Interein Phasenfehler über die Zeit relativ gut auskorri- esse, während der zweite Extremfall beispielsweise gieren. im Rahmen der Netz-Schutztechnik von Wichtigkeit

F i g. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel 50 ist. Je nach dem gewünschten Verwendungszweck für die Recheneinrichtung 24 gemäß Fig. 2 bzw. 37 kann die Zeitkonstante der Mittelwertbildung festgemäß Fig. 3. Von den angelieferten digitalen gelegt werden.

Momentanwerten von Strom i (t) und Spannung u (t) ■ Die angegebene Methode zur Bildung komplexer können von dieser Einrichtung weitere interessierende Größen wie Leistung und Energie durch exakte rech-Größen abgeleitet werden. In einer primären Stufe I 55 nerische Verarbeitung der Momentanwerte von Spanwerden in Quadrierschaltungen 40 a bzw. 40 & die nung und Strom liefert genauere Ergebnisse als die Quadrate u² und z² sowie in einem Multiplikator 40 c bekannten analogen Schalttafelgeräte, vor allem bei das Produkt ρ = u-i gebildet, wobei ρ dem Momen- dem immer häufigeren Auftreten verzerrter Kurventanwert der Wirkleistung entspricht. In einer sekun- formen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Meßwerke aufweisen. Der Meßwert wird beispiels- Patentansprüche: weise in Form eines Zeigerausschlages dargestellt, der abgelesen und vom Personal weiter verarbeitet

1. Verfahren zur Gewinnung digitaler Meß- werden kann, oder er wird einem Rollenzählwerk werte aus periodisch veränderlichen, analogen 5 zugeführt, dessen Stand sowohl abgelesen als auch in elektrischen Größen ein- oder mehrphasiger Form eines kodierten elektrischen Signals automa-Elektrizitätsnetze, dadurch gekennzeich- tisch abgetastet und beispielsweise ausgedruckt wernet, daß Spannung und Strom mindestens einer den kann.

Phase gleichzeitig in Form von Momentanwerten Neben der direkten Erfassung der Meßwerte in abgetastet werden, daß diese Momentanwerte io analogen Meßgeräten ist auch die Übertragung des mittels mindestens eines Analog/Digital-Wandlers elektrischen Analogsignals in Form eines eingeprägin digitale Signale umgewandelt werden und daß ten Gleichstroms bekannt (Prospekt der Firma die so erhaltenen digitalen Signale einer Mittel- Canaille Bauer, Wohlen, über Baureihen der Meßwertbildung oder Integration unterzogen werden, umformer, 1969). Mit Hilfe eines derartigen Signals und danach in einer Recheneinrichtung mitein- 15 kann die Information auf verschiedenartige Ausander verknüpft werden. Werteeinrichtungen, wie Schalttafelinstrumente, Fern-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- meßanlagen, Rechner u. dgl. verteilt werden. Sie kennzeichnet, daß zur Ableitung von Blind- kann innerhalb der Auswerteinrichtungen entspreleistungs- und Blindenergiemeßwerten eine chend deren Erfordernissen kodiert, beispielsweise Quadrierung sowohl der Schein- als auch der ao digitalisiert, werden.

Wirkleistung vorgenommen wird, daß das Die analoge Verarbeitung der Meßwerte weist

Quadrat der Wirkleistung vom Quadrat der jedoch prinzipielle Nachteile auf, besonders dann,

Scheinleistung subtrahiert wird und daß das Er- wenn sich die Verarbeitung aus mehreren Einzel-

gebnis radiziert und zur Blindenergiemessung zu- operationen zusammensetzt, beispielsweise durch

sätzlich integriert wird. 25 Signalverarbeitung in einem Verstärker und in einem

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfah- Trenriglied, da jede Stufe einen zusätzlichen Fehler rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, verursacht. Der Gesamtfehler einer entsprechenden daß an eine Netzphase (R) angeschlossene Strom- Einrichtung kann dabei für heutige Maßstäbe untrag- und Spannungswandler (20 a, 20 b, 30 a, 30 b) bar hohe Werte annehmen. Dieser Nachteil wird über Anpaßglieder (21, 31) an eine Abtastschal- 30 auch nicht dadurch behoben, daß die Meßsignale tung (22, 24, 32, 34) angeschlossen sind, der min- innerhalb der Auswerteinrichtung digitalisiert werdestens ein Analog/Digital-Wandler (23, 36) den, da die bei der analogen Signalverarbeitung wähnachgeschaltet ist, und daß Vorrichtungen (MWB, rend der Gewinnung der Meßwerte entstandenen 4Od) zur Mittelwertbildung vorgesehen sind, kumulierten Fehler erhalten bleiben. Ferner weisen welche an den Ausgang des Analog/Digital- 35 die allgemein zur Messung der Energie gebräuch-Wandlers angeschlossen sind. liehen Induktionszähler einen erheblichen Frequenz-

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- fehler auf. Schließlich beruht die Messung von Blindkennzeichnet, daß dem Analog/Digital-Wandler leistung und Blindenergie in Ein- und Mehrphasen-(36) je ein Halteverstärker (33) für Strom- und systemen auf Kunstschaltungen, die bei Abweichun-Spannungswerte über steuerbare Schalter (35) 40 gen von den idealen Bedingungen — insbesondere vorgeschaltet ist und daß die steuerbaren Schalter beim Auftreten höherer Harmonischer oder bei mit einer Ablaufsteuerschaltung (34) zur sequen- Asymmetrie des Spannungsdreiecks — nur bedingt tiellen Abfrage der Halteverstärker verbunden brauchbare Ergebnisse liefern.

sind. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein

5. Einrichtung nach Anspruchs, dadurch ge- 45 Meßverfahren anzugeben, mit welchem sich genauere kennzeichnet, daß die Abtastschaltung eine Ab- Meßergebnisse erzielen lassen und bei welchem die laufsteuerschaltung zur sequentiellen Abtastung Ergebnisse in digitaler Form zur Verfügung stehen, der Anpaßglieder umfaßt, wobei die Ablaufsteue- so daß eventuell bereits vorhandene digitale Einrichrung zur Permutation der abgetasteten Strom- tungen, welche ursprünglich sogar für andere Zwecke und Spannungs-Anpaßglieder ausgebildet ist, der- 5° des Betriebsablaufs ausgelegt worden waren, wie bei-· art, daß zum Ausgleich von Phasenfehlern ab- spielsweise Prozeßrechner, mitverwendet werden wechselnd ein jüngerer Stromwert mit einem können.

älteren Spannungswert und darauffolgend ein Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gejüngerer Spannungswert mit einem älteren Strom- löst, daß Spannung und Strom mindestens einer wert kombiniert werden. 55 Phase gleichzeitig in Form von Momentanwerten ab

getastet werden, daß diese Momentanwerte mittels mindestens eines Analog/Digital-Wandlers in digitale Signale umgewandelt werden und daß die so erhaltenen digitalen Signale einer Mittelwertbildung oder

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewin- 60 Integration unterzogen werden, und danach in einer nung digitaler Meßwerte aus periodisch veränder- Recheneinrichtung miteinander verknüpft werden, liehen, analogen elektrischen Größen ein- oder mehr- Durch diese Maßnahme ist es möglich, beispiels-

phasiger Elektrizitätsnetze sowie eine Einrichtung zur weise den Meßfehler für alle zu erfassenden Größen Durchführung dieses Verfahrens. kleiner als 0,2% zu halten.

Bei bekannten Verfahren dieser Art wird eine 65 Schließlich können je nach Bedarf verschiedene analoge Signalverarbeitung vorgenommen, wobei charakteristische Meßwerte erfaßt werden, wobei die auch individuelle, analog arbeitende Meßgeräte ein- Signalverarbeitungseinrichtung relativ einfach aufgegesetzt sind, welche beispielsweise elektrodynamische baut sein kann.