CH663283A5

CH663283A5 - Messanordnung fuer wechsel- bzw. drehstromnetze.

Info

Publication number: CH663283A5
Application number: CH394582A
Authority: CH
Inventors: Herbert Riess; Erich Delago
Original assignee: Metrawatt Gmbh
Priority date: 1981-07-04
Filing date: 1982-06-28
Publication date: 1987-11-30
Also published as: DE3126485C2; DE3126485A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Messung von Spannungen, Strömen, Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung und Leistungsfaktor in Wechsel- bzw. Drehstromnetzen mit beliebigen Spannungs- und Lastzuständen unter Verwendung von Spannungs- und Stromwandlern.

Schaltungsanordnungen zur Durchführung der obengenannten Messverfahren der Starkstromtechnik sind bekannt. Zur Durchführung offizieller Messungen geeignete und zugelassene Schaltungen sind in DIN 43807 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 enheitliche 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 Spannungssymmetrie im Drehstromnetz ebenfalls zu einem normalerweise nicht erkennbaren Messfehler.

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 dadurch gelöst, dass drei Spannungswandler vorgesehen sind, die primär- und sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, dass ferner drei Stromwandler vorgesehen sind, die sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, dass ein Multiplexer vorgesehen ist, der von den sechs möglichen Ausgangssignalen der Wandler jeweils bis zu drei Signale in äquidistanten Zeitabständen auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung schaltet und dass jeder Sample-and-Hold-

Schaltung ein Analog/Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der die analogen Signale digitalisiert und an eine Zentraleinheit weiterleitet, wo sie für nachfolgende Berechnungen gespeichert werden.

Damit 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 Spannungsund 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 Spannungssymmetrien im Netz zu Messfehlern führt; vielmehr wird jeder Strom mit seiner zugehörigen Spannung verknüpft, wobei die 90°-Verschie-bung durch Zugriff auf solche Messwerte im Speicher der Zentraleinheit realisiert wird, die mit der gewünschten 90°-Ver-schiebung zeitlich korrelieren.

Gemäss einer Weiterbildung 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 zeigen:

Fig. 1 den Verlauf von Spannung u und Strom i für eine Phasenverschiebung <J) = 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 <p 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 A<p = 15° abgetastet. A(p ist sowohl ein ganzzahliger Bruchteil einer vollen Grundschwingungsperiode <p = 360° als auch ein ganzzahliger Bruchteil eines Viertels einer vollen Grundschwingungsperiode. Im Falle einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht A<p = 15° einem zeitlichen Abstand der Abtastintervalle von At = 0,833 msec.

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

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

663 283

Für un und ìn werden jeweils die Strangspannungen und -ströme eingesetzt, d.h., Ur, Us und Ut bzw. IR, Is und IT. Die Blindleistung errechnet sich nach dem gleichen Prinzip zu

Q = ' (22 UN • i(N + 18) • At + 22 UN • i(N-6) • Ati

24 -T VN=1 N = 7 >

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 Wl, W2, W3, die sowohl pri-märseitig als auch sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind. Die primärseitigen Klemmen sind DIN-gerecht mit 2, 5, 8, 11 bezeichnet. Man erkennt ferner drei Stromwandler W4, W5, W6, 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 Ui, U2, U3 und die drei Stromwandler liefern ebenfalls drei Ausgangssignale Ii, I2,13. 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 Si, S2, S3 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. Jeder 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 5 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 äquidistan-10 ten Zeitabständen At entsprechend Acp = 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 er-15 folgt.

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 20 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 Ver-25 hältnisse in den einzelnen Strängen des Netzes grundlegend ändern.

Um möglichen Missverständnissen vorzubeugen, soll noch darauf hingewiesen werden, dass die im Beispiel angenommenen Abtastintervalle Acp = 15° keinen Einfluss haben auf die 30 Messgenauigkeit der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, d.h. auf die Messgenauigkeit, mit der beispielsweise der Leistungsfaktor coscp bestimmt werden kann. Die Phasenverschiebung $ zwischen Strom und Spannung und der daraus resultierende Leistungsfaktor coscp sind mit beliebiger Genauig-35 keit berechenbar, wenn die Abtastintervalle Acp das Abtasttheorem von Shannon erfüllen, ganzzahlige Bruchteile einer vollen Grundschwingungsperiode sind, um mögliche Störungen zu minimieren, und ganzzahlige Bruchteile eines Viertels einer Grundschwingungsperiode sind, um die 90°-Verschiebung zur 40 Bestimmung der Blindleistung durch zeitlich verschobene Kor-rellierung der im Speicher der Zentraleinheit abgelegten Abtastwerte realisieren zu können.

v

1 Blatt Zeichnungen

Claims

663 283 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Messanordnung zur Messung von Spannungen u, Strömen i, Wirkleistung P, Blindleistung Q, Scheinleistung S und Leistungsfaktor cos<p in Wechsel- bzw. Drehstromnetzen mit beliebigen Spannungs- und Lastzuständen unter Verwendung von Spannungs- und Stromwandlern (Wl, W2, W3; W4, W5, W6), dadurch gekennzeichnet, dass drei Spannungswandler (Wl, W2, W3) vorgesehen sind, die primär- und sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, dass ferner drei Stromwandler (W4, W5, W6) vorgesehen sind, die sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, dass ein Multiplexer (MX) vorgesehen ist, der von den sechs möglichen Ausgangssignalen (Ul, U2, U3; II, 12,13) der Wandler (Wl . . . W6) jeweils bis zu drei Signale (Sl, S2, S3) in äquidistanten Zeitabständen (At) auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung (S+H) schaltet, und dass jeder Sample-and-Hold-Schaltung (S + H) ein Analog/Digital-Wandler (A/D) nachgeschaltet ist, der die analogen Signale (Sl, S2, S3) digitalisiert und an eine Zentraleinheit (ZE) weiterleitet, wo sie für nachfolgende Berechnungen gespeichert werden.

2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äquidistanten Zeitabstände (At) ganzzahlige Bruchteile der Zeitdauer eines Viertels einer Grundschwingungsperiode sind.