DE3126485C2

DE3126485C2 -

Info

Publication number: DE3126485C2
Application number: DE19813126485
Authority: DE
Inventors: Erich 8503 Altdorf De Delago; Herbert 8500 Nuernberg De Riess
Original assignee: ABB Metrawatt GmbH
Current assignee: GOSSEN-METRAWATT GMBH, 90471 NUERNBERG, DE
Priority date: 1981-07-04
Filing date: 1981-07-04
Publication date: 1990-01-25
Also published as: CH663283A5; DE3126485A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Meßanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art.

Schaltungsanordnungen zur Messung verschiedener Größen der Starkstromtechnik sind bekannt. Zur Durchführung offizieller Messungen geeignete und zugelassene Schaltungen sind in DIN 43 807 genormt. Dabei fällt auf, daß für jede Meßgröße eine eigene Meßschaltung vorgeschrieben ist. Will man in einem Starkstromnetz mehrere Meßgrößen oder in unterschiedlichen Netzen eine einheitliche Meßgröße ermitteln, so benötigt man dazu jeweils unterschiedliche Schaltungen und Geräte. Eine Anpassung eines bestimmten Meßgerätes an die unterschiedlichen Meßaufgaben ist meist nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten möglich.

Hinzu kommt, daß die bekannten Meßschaltungen, auch die genormten, unter besonderen Bedingungen einen systembedingten Meßfehler aufweisen, der vom Bedienungspersonal nicht erkannt werden kann. Als Beispiel seien die Schaltungen zur Messung von Blindleistung genannt. Enthalten diese Schaltungen eine Kunstschaltung zur Erzeugung der 90°-Phasenverschiebung des Spannungs- gegenüber dem Stromzweig, so führt eine Frequenzänderung zu einem Meßfehler. Wird dagegen die 90°-Phasenverschiebung des Spannungs- gegenüber dem Stromzweig durch Verwendung der verketteten Spannungen anstelle der Strangspannung gebildet, so führt eine Spannungsunsymmetrie im Drehstromnetz ebenfalls zu einem normalerweise nicht erkennbaren Meßfehler.

Aus der DE-OS 26 30 959 ist ein Kilowattstundenzähler mit statischem Meßwerk bekannt, der insbesondere bei Drehstromnetzen zur Anwendung kommt. Die Schaltung des statischen Meßwerks besteht aus einem einkanaligen Multiplexer mit acht Eingängen, einem Analog/Digital-Wandler und einem Computer. Ein Eingang des Multiplexers liegt an Nullpotential, ein anderer an einer Referenzspannung, drei Eingänge liegen über Widerstände bzw. einen Spannungsteiler an Meßspannungen und drei Eingängen werden über Stromwandler Meßströme zugeführt. Der vom Computer gesteuerte Multiplexer führt die Eingangsgrößen in vorgegebener Reihenfolge über den Analog/Digital-Wandler dem Computer zu. Dieser speichert eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten der Eingangsgrößen und ermittelt aus dem Strom und der Spannung jeweils eines Stranges die momentane Leistung. Da zusammengehörige Strom- und Spannungswerte nicht gleichzeitig, sondern nacheinander abgetastet werden, erfolgt zum Ausgleich des Phasenfehlers eine Fehlerkorrektur. Die Schaltung ist nur zur Messung einer bestimmten Leistung, vorzugsweise der Wirkleistung vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung anzugeben, mit der alle interessierenden Meßgrößen in Starkstromnetzen ohne Änderung der Meßschaltung und der Anschlüsse gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung ergeben sich die Vorteile, daß die Strom- und Spannungsvektoren aller bekannten Wechselstromnetze ohne Änderung der Anschlüsse vektoriell richtig abgebildet werden können, indem der von der Zentraleinheit gesteuerte Multiplexer die am Eingang der Meßanordnung anliegenden Spannungs- und Stromwerte zeitlich aufeinanderfolgend und in der richtigen Zuordnung von Spannungen zu Strömen durchschaltet. Welche Spannungs- und Stromwerte durchgeschaltet werden, hängt ab von der momentan zu bestimmenden Meßgröße. Ohne daß die starkstromseitigen Anschlüsse geändert werden, werden die zusammengehörigen Spannungen und Ströme miteinander verknüpft, wie es in den DIN-Normen vorgeschrieben ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß beispielsweise zur Bildung der Blindleistung die Ströme nicht mehr mit der um 90° verschobenen verketteten Spannung verknüpft werden, was, wie oben erwähnt, bei Spannungsunsymmetrien im Netz zu Meßfehlern führt; vielmehr wird jeder Strom mit seiner zugehörigen Spannung verknüpft, wobei die 90°-Verschiebung durch Zugriff auf solche Meßwerte im Speicher der Zentraleinheit realisiert wird, die mit der gewünschten 90°-Verschiebung zeitlich korrelieren.

Gemäß der Erfindung sind die äquidistanten Zeitabstände ganzzahlige Bruchteile der Zeitdauer eines Viertels einer Grundschwingungsperiode. Dadurch wird sowohl das Abtasttheorem erfüllt, was Bedingung für eine eindeutige Übereinstimmung der digitalen Signale mit den analogen Größen ist, als auch eine synchrone Abtastung erreicht, welche bekanntlich etwaige Störungen auf dem Netz optimal unterdrückt, als auch die gewünschte 90°-Phasenverschiebung auf eindeutige und einfache Weise realisiert.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf von Spannung u und Strom i für eine Phasenverschiebung Φ = 30° sowie die entsprechenden Abtastwerte und

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Meßanordnung.

Die obere Kurve in Fig. 1 zeigt eine volle Periode einer Spannung u, aufgetragen über dem Winkel ϕ von 0 bis 360°. Eingetragen sind ferner die Abtastintervalle von 1 bis 24. Eine volle Periode der Netzspannung u wird in ihren 24 äquidistanten Winkelteilen Δϕ = 15° abgetastet. Δϕ ist sowohl ein ganzzahliger Bruchteil einer vollen Grundschwingungsperiode ϕ =360° als auch ein ganzzahliger Bruchteil eines Viertels einer vollen Grundschwingungsperiode. Im Falle einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht Δϕ = 15° einem zeitlichen Abstand der Abtastintervalle von Δ t = 0,833 msec.

Die untere Kurve in Fig. 1 zeigt für eine Phasenverschiebung Φ = 30° den Verlauf eines Stromes i über eine volle Periode von ϕ = 360°, wobei hier ebenfalls die Abtastzeitpunkte und -werte eingetragen sind. Die Abtastzeitpunkte stimmen exakt mit jenen der Spannung u überein. Infolge der Phasenverschiebung Φ = 30° kreuzt die Stromkurve die Nullinie bei Abtastwert Δϕ = 2.

Obwohl es prinzipiell bekannt ist, wie mit Hilfe der abgetasteten Werte die verschiedenen Meßgrößen der Starkstromtechnik berechnet werden können, sei hier als Beispiel nochmals die Berechnung der Wirkleistung P sowie der Blindleistung Q angeführt. Die Wirkleistung errechnet sich zu

Für u _N und i _N werden jeweils die Strangspannungen und -ströme eingesetzt, d. h., U _R, U _S und U _T bzw. I _R, I _S und I _T. Die Blindleistung errechnet sich nach dem gleichen Prinzip zu

Die 90°-Verschiebung der Spannung gegenüber dem Strom wird also nicht durch eine Änderung der Anschlüsse, sondern durch eine Verschiebung der miteinander multiplizierten Abtastwerte um 6 · 15° = 90° erreicht. Eine weitere Besonderheit, die mit einer erfindungsgemäßen Meßanordnung möglich ist, ist die Berechnung der Blindleistung ohne Benutzung der verketteten Spannungen und ohne phasendrehende Kunstschaltung, wodurch die dadurch bedingten Fehlereinflüsse sicher vermieden werden.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßanordnung. Man erkennt drei Spannungswandler W 1, W 2, W 3, die sowohl primärseitig als auch sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind. Die primärseitigen Klemmen sind DIN-gerecht mit 2, 5, 8, 11 bezeichnet. Man erkennt ferner drei Stromwandler W 4, W 5, W 6, die nur sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind und deren Klemmen ebenfalls DIN-gerecht mit 1, 3, 4, 6, 7, 9 bezeichnet sind. In dieser Konfiguration ist die Meßanordnung geeignet für Messungen in sämtlichen Wechsel- und Drehstromnetzen. Die drei Spannungswandler liefern drei Ausgangssignale U 1, U 2, W 3 und die drei Stromwandler liefern ebenfalls drei Ausgangssignale I 1, I 2, I 3. Diese sechs Signale liegen am Eingang eines Multiplexers MX, der von einer Zentraleinheit ZE gesteuert wird. Entsprechend diesen Steuersignalen werden bis zu drei der an seinem Eingang anstehenden Signale an den Ausgang durchgeschaltet, wo sie als Signale S 1, S 2, S 3 anstehen und auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung SH gegeben werden. Die Sample-and-Hold-Schaltung SH übernimmt auf ein entsprechendes Steuersignal der Zentraleinheit ZE hin einen Signalwert, speichert ihn und gibt ihn an einen Analog/Digital-Wandler A/D weiter. Der Analog/Digital-Wandler A/D bildet daraus ebenfalls auf ein Steuersignal der Zentraleinheit ZE hin den entsprechenden Digitalwert und liefert ihn an die Zentraleinheit ZE, wo er in einem Speicher für die nachfolgende Berechnung gespeichert wird.

Welche der Spannungs- und Stromwerte vom Multiplexer MX durchgeschaltet werden, wird, wie schon erwähnt, von der Zentraleinheit gesteuert. Zur Messung von Leistungen werden im allgemeinen zwei Spannungen und ein Strom durchgeschaltet. Diese drei zusammengehörenden Signale, die beispielsweise zur Bestimmung der Leistung in einem Strang eines Drehstromnetzes geeignet sind, werden, wie schon erwähnt, in äquidistanten Zeitabständen Δ t entsprechend Δϕ = 15° durchgeschaltet. Zwischen zwei Abtastungen der Signale des einen Strangs können auch die Signale der anderen Stränge abgetastet werden, so daß die Berechnung der Teilleistungen in den einzelnen Strängen innerhalb einer Periode der Netzspannung gleichzeitig erfolgt.

Alternativ dazu wäre es auch möglich, den Multiplexer jeweils nach Ablauf einer vollen Meßperiode auf den nächsten Strang umzuschalten, so daß die volle Leistung des Netzes nach 2 oder maximal 3 Grundschwingungsperioden errechnet werden kann. Diese letzte Meßart führt zu einer erheblich verringerten Schaltfrequenz in Multiplexer, Sample-and-Hold-Schaltung und Analog/Digital-Wandler, wobei der zu erwartende Meßfehler äußerst gering bleibt, da nicht anzunehmen ist, daß in maximal 3 Grundschwingungsperioden sich die Verhältnisse in den einzelnen Strängen des Netzes grundlegend ändern.

Um möglichen Mißverständnissen vorzubeugen, soll noch darauf hingewiesen werden, daß die im Beispiel angenommenen Abtastintervalle Δϕ =15° keinen Einfluß haben auf die Meßgenauigkeit der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, d. h. auf die Meßgenauigkeit, mit der beispielsweise der Leistungsfaktor cos ϕ bestimmt werden kann. Die Phasenverschiebung Φ zwischen Strom und Spannung und der daraus resultierende Leistungsfaktor cos ϕ sind mit beliebiger Genauigkeit berechenbar, wenn die Abtastintervalle Δϕ das Abtasttheorem von Shannon erfüllen und ganzzahlige Bruchteile eines Viertels einer Grundschwingungsperiode sind, um die 90°-Verschiebung zur Bestimmung der Blindleistung durch zeitlich verschobene Korrelierung der im Speicher der Zentraleinheit abgelegten Abtastwerte realisieren zu können.

Claims

Meßanordnung zur Messung elektrischer Größen in Wechselstromnetzen mit einer Eingangsschaltung, die mindestens drei Spannungseingänge und drei Stromeingänge besitzt und an den Stromeingängen drei Stromwandler vorgesehen sind, die sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind und ein nachgeschalteter Multiplexer von einer entsprechend programmierten Zentraleinheit gesteuert, die Eingangsgrößen in äquidistanten Zeitabständen abtastet und über einen Analog/Digital-Wandler an die Zentraleinheit weitergibt und diese eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten der Eingangsgröße speichert und daraus mindestens eine bestimmte elektrische Meßgröße berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß auch drei Spannungswandler (W 1, W 2, W 3) vorgesehen sind und diese primär- und sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, und der Multiplexer (MX) von den sechs möglichen Ausgangssignalen der Wandler (U 1, U 2, U 3; I 1, I 2, I 3) zur Bestimmung des Lastzustandes an einem Strang des Wechselstromnetzes gleichzeitig bis zu drei Signale (S 1, S 2, S 3) auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung (S + H) schaltet, derart, daß drei Sample-and-Hold-Schaltungen vorgesehen sind und mittels der Zentraleinheit (ZE) aus diesen entsprechend ausgewählten Signalen (S 1, S 2, S 3) jede der für den Lastzustand am jeweiligen Strang relevanten elektrischen Größen wie Spannung (u), Strömen (i), Wirkleistung (P), Blindleistung (Q), Scheinleistung (S) und Leistungsfaktor (cos ϕ) in allen Wechselstromnetzen ermittelbar ist und daß die äquidistanten Zeitabstände (Δ t) ganzzahlige Bruchteile der Zeitdauer eines Viertels einer Grundschwingungsperiode sind.