CH663283A5

CH663283A5 - MEASURING ARRANGEMENT FOR CHANGING OR THREE-PHASE NETWORKS.

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: DE3126485A1; DE3126485C2

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. The invention relates to a measuring arrangement for measuring voltages, currents, active power, reactive power, apparent power and power factor in AC or three-phase networks with any voltage and load conditions using voltage and current transformers.

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. Circuit arrangements for carrying out the above-mentioned measurement methods in heavy current technology are known. Circuits suitable and approved for carrying out official measurements are standardized in DIN 43807. It is striking that a separate measurement circuit is prescribed for each measurement variable. If you want to determine several measured variables in a power grid or a uniform measured variable in different networks, you need different circuits and devices. An adaptation of a specific measuring device to the different measuring tasks is usually not possible or only with great difficulty.

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. In addition, the known measuring circuits, even the standardized ones, have a system-related measurement error under special conditions that cannot be recognized by the operating personnel. The circuits for measuring reactive power may be mentioned as an example. If these circuits contain an artificial circuit for generating the 90 "phase shift of the voltage relative to the current branch, a frequency change leads to a measurement error. On the other hand, if the 90" phase shift of the voltage opposite the current branch is formed by using the chained voltages instead of the phase voltage, voltage symmetry in the three-phase network also leads to a measurement error that is normally not recognizable.

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. The present invention is based on the object of specifying a measurement arrangement with which all the measurement variables of interest in high-voltage networks can be measured without changing the measurement circuit and the connections.

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- This object is achieved in that three voltage converters are provided, which are interconnected in a star shape on the primary and secondary side, and furthermore three current converters are provided, which are interconnected in a star shape on the secondary side, in that a multiplexer is provided, each of the six possible output signals of the converters switches to three signals at equidistant time intervals on one sample-and-hold circuit each and that each 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. Circuit is followed by an analog / digital converter, which digitizes the analog signals and forwards them to a central unit, where they are stored for subsequent calculations.

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. This has the advantages that the current and voltage vectors of all known AC networks can be mapped correctly in vector without changing the connections, in that the multiplexer controlled by the central unit sequentially and sequentially and correctly assigns the voltage and current values present at the input of the measuring arrangement Cycle through. Which voltage and current values are switched through depends on the measured variable currently to be determined. Without changing the connections on the high-current side, the associated voltages and currents are linked to one another, as prescribed in the DIN standards.

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. A particular advantage of the invention is that, for example, to form the reactive power, the currents are no longer linked to the chained voltage shifted by 90 °, which, as mentioned above, leads to measurement errors in the case of voltage symmetries in the network; Rather, each current is linked to its associated voltage, the 90 ° shift being realized by accessing such measured values in the memory of the central unit that correlate in time with the desired 90 ° shift.

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. According to a development of the invention, the equidistant time intervals are integer fractions of the time duration of a quarter of a basic oscillation period. This fulfills both the sampling theorem, which is a condition for a clear correspondence of the digital signals with the analog variables, and also achieves synchronous sampling, which is known to optimally suppress any interference on the network, as well as the desired 90 "phase shift to unambiguous and realized in a simple way.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Based on the drawing, the invention will be explained in more detail in the form of an embodiment.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 den Verlauf von Spannung u und Strom i für eine Phasenverschiebung <J) = 30° sowie die entsprechenden Abtastwerte und Fig. 1 shows the course of voltage u and current i for a phase shift <J) = 30 ° and the corresponding samples and

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Messanordnung. 2 shows the block diagram of a measuring arrangement.

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. The upper curve in FIG. 1 shows a full period of a voltage u plotted over the angle <p from 0 to 360 °. The sampling intervals from 1 to 24 are also entered. A full period of the mains voltage u is sampled in its 24 equidistant angular parts A <p = 15 °. A (p is both an integer fraction of a full fundamental period <p = 360 ° and an integer fraction of a quarter of a full fundamental period. In the case of a network frequency of 50 Hz, A <p = 15 ° corresponds to a time interval between the sampling intervals of 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. The lower curve in Fig. 1 shows for a phase shift (|) = 30 ° the course of a current i over a full period of (p = 360 °, the sampling times and values also being entered here. The sampling times are exactly the same as those of the voltage u As a result of the phase shift <{> = 30 °, the current curve crosses the zero line at sample value 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 Although it is known in principle how the various measured variables of heavy current technology can be calculated with the aid of the sampled values, the calculation of the active power P and the reactive power Q is again given here as an example. The active power is calculated

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

663 283 663 283

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 The string voltages and currents are used for un and ìn, i.e. Ur, Us and Ut or IR, Is and IT. The reactive power is calculated using the same principle

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

24 -T VN=1 N = 7 > 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. The 90 ° shift of the voltage in relation to the current is therefore not achieved by changing the connections, but by shifting the multiplied sample values by 6 • 15 ° = 90 °. Another special feature that is possible with a measuring arrangement according to the invention is the calculation of the reactive power without the use of the linked voltages and without phase-shifting artificial switching, as a result of which the error influences caused thereby are reliably avoided.

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. 2 shows a block diagram of a measuring arrangement. One recognizes three voltage transformers W1, W2, W3, which are interconnected in a star configuration on the primary side as well as on the secondary side. The primary-side terminals are designated DIN 2, 5, 8, 11. One can also see three current transformers W4, W5, W6, which are only connected together in a star configuration on the secondary side and whose terminals are also designated 1, 3, 4, 6, 7, 9 in accordance with DIN. In this configuration, the measuring arrangement is suitable for measurements in all AC and three-phase networks. The three voltage converters deliver three output signals Ui, U2, U3 and the three current converters also deliver three output signals Ii, I2, 13. These six signals are at the input of a multiplexer MX, which is controlled by a central unit ZE. In accordance with these control signals, up to three of the signals present at its input are switched through to the output, where they are present as signals Si, S2, S3 and are each applied to a sample-and-hold circuit SH. The sample-and-hold circuit SH accepts a signal value in response to a corresponding control signal from the central unit ZE, stores it and forwards it to an analog / digital converter A / D. Each analog / digital converter A / D also forms the corresponding digital value in response to a control signal from the central unit ZE and delivers it to the central unit ZE, where it is stored in a memory for the subsequent calculation.

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. Which of the voltage and current values are switched through by the multiplexer MX is, as already mentioned, controlled by the 5 central unit. To measure power, two voltages and one current are generally switched through. As already mentioned, these three related signals, which are suitable, for example, for determining the power in a line of a three-phase network, are switched through at equidistant time intervals At corresponding to Acp = 15 °. The signals of the other strands can also be sampled between two samples of the signals of the one strand, so that the partial powers in the individual strands are calculated simultaneously within a period of the mains voltage.

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. Alternatively, it would also be possible to switch the multiplexer to the next line after a full measurement period, so that the full power of the network can be calculated 20 after 2 or a maximum of 3 fundamental oscillation periods. This last type of measurement leads to a significantly reduced switching frequency in the multiplexer, sample-and-hold circuit and analog / digital converter, whereby the measurement error to be expected remains extremely low, since it cannot be assumed that the Ver-25 Change fundamentally in the individual strands of the network.

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. In order to avoid possible misunderstandings, it should be pointed out that the sampling intervals Acp = 15 ° assumed in the example have no influence on the measuring accuracy of the phase shift between current and voltage, i.e. on the measuring accuracy with which, for example, the power factor coscp can be determined. The phase shift $ between current and voltage and the resulting power factor coscp can be calculated with any accuracy if the sampling intervals Acp meet Shannon's sampling theorem, are integral fractions of a full fundamental period to minimize possible interference, and integral fractions of a quarter of a basic oscillation period in order to be able to implement the 90 ° shift for determining the reactive power by means of a time-shifted correction of the sample values stored in the memory of the central unit.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

663 283 2 PATENT CLAIMS

1.Measuring arrangement for measuring voltages u, currents i, active power P, reactive power Q, apparent power S and power factor cos <p in AC or three-phase networks with any voltage and load conditions using voltage and current transformers (Wl, W2, W3 ; W4, W5, W6), characterized in that three voltage transformers (Wl, W2, W3) are provided, which are interconnected in a star shape on the primary and secondary side, and that three current transformers (W4, W5, W6) are also provided, which are star-shaped on the secondary side are interconnected in such a way that a multiplexer (MX) is provided, which of the six possible output signals (Ul, U2, U3; II, 12, 13) of the converters (Wl... W6) each have up to three signals (Sl, S2, S3) switches at equidistant time intervals (At) to a sample-and-hold circuit (S + H), and that each sample-and-hold circuit (S + H) has an analog / digital converter (A / D ) is connected downstream, which digitizes the analog signals (Sl, S2, S3) and to a central unit (ZE) forwards where they are stored for subsequent calculations.

2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the equidistant time intervals (At) are integer fractions of the time duration of a quarter of a fundamental period.