DE102016002267B4

DE102016002267B4 - Arrangement and method for measuring the electrical properties at the connection point of an electrical power supply network, by connected producers, consumers or subnetworks

Info

Publication number: DE102016002267B4
Application number: DE102016002267.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-02-27
Also published as: WO2017144165A1; DE102016002267A1

Abstract

System zur Messung der elektrischen Eigenschaften am Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – dass Ströme und Spannungen an mehreren Kanälen über Messwertwandler erfasst und digitalisiert werden, – der Takt für die Abtastung in allen Kanälen von einer gemeinsamen und von den zu messenden Eigenschaften unabhängigen Quelle kommt, – eine sich im Betrieb an die Frequenz und Phasenlage der Grundschwingung eines als Referenz definierten Kanals anpassende Abtastratenkonvertierung eingesetzt wird, welche zu einer konstanten Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung führt, – eine Fourier-Transformation mit vorheriger Fensterung angewendet wird, welche größer ist als das Auswertefenster der Fourier-Transformation die einzelne Abtastwerte individuell gewichtet werden und danach mit dem jeweils ebenfalls gewichteten Abtastwerten einer Periode der Grundschwingung später addiert werden, so dass mit der Dauer der Grundschwingung periodische Signale durch die Fensterung unverändert bleiben, – jeder einzelne Abtastwert in der Summe der Anteile, welche durch die Gewichtung auf verschiedene Auswertefenster verteilt werden, vollständig von der Messauswertung erfasst wird, – zusätzliche Werte aus der Kombination der Ergebnisse der Fourier-Transformation von mehreren Kanälen berechnet und ausgewertet werden.System for measuring the electrical properties at the connection point of an electrical energy supply network, connected producers, consumers or subnetworks, characterized by the following features: - that currents and voltages at several channels are detected and digitized by transducers, - the sampling cycle in all channels source that is independent of the common source and the properties to be measured, - a sampling rate conversion that adapts in operation to the frequency and phase of the fundamental of a channel defined as a reference, resulting in a constant number of samples per fundamental, Transformation with previous windowing is applied, which is greater than the evaluation window of the Fourier transform, the individual samples are weighted individually and then with the respective weighted samples of a period of the ground chwingung be added later, so that with the duration of the fundamental periodic signals remain unchanged by the windowing, - each individual sample in the sum of the shares, which are distributed by the weighting on different evaluation windows, is completely detected by the measurement evaluation, - additional values calculated and evaluated from the combination of the results of the Fourier transform of multiple channels.

Description

Anordnung und Verfahren zur Messung der elektrischen Eigenschaften am Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen.Arrangement and method for measuring the electrical properties at the connection point of an electrical power supply network, by connected producers, consumers or subnetworks.

Stand der TechnikState of the art

Verschiedene am Stromnetz angeschlossene Geräte haben sich gegenseitig beeinflusst und gestört. Das Komitee SC 205A der CENELEC hat eine Task Force EMI gegründet, welche die Effekte gesammelt, vorhandene Normen auf Anwendbarkeit überprüft und Lösungsansätze vorschlägt. Diese Gruppe hat inzwischen 3 Reports [1, 2, 3] vorgelegt, wobei in [1] bereits festgestellt wurde, dass die bestehenden Normen für den Frequenzbereich 2–150 kHz weder zur Bestimmung der notwendigen Messgrößen, noch zum Schutz der gegenseitigen Beeinflussung ausreichen. Außerhalb Europas wird auf Grund der unterschiedlichen EMV-Regulierung in den einzelnen Regionen dieser Frequenzbereich auf bis zu 500 kHz erweitert.Various devices connected to the mains have influenced and disturbed each other. The committee SC 205A of the CENELEC has founded a task force EMI, which collects the effects, examines existing standards for applicability and proposes solution approaches. This group has meanwhile submitted 3 reports [1, 2, 3], although in [1] it has already been established that the existing standards for the frequency range 2-150 kHz are neither sufficient for determining the necessary measured quantities nor for the protection of mutual interference. Outside Europe, due to the different EMC regulations in the individual regions, this frequency range is extended up to 500 kHz.

Durch den Einsatz von neuen Technologien in den Netzteilen und Rückspeisung von Leistung in das Stromnetz zur Effizienzsteigerung der Geräte, wird eine signifikante Veränderung des bisherigen Netzverhaltens und gegenseitigen Störung erwartet. Das hieraus entstehende Problem wurde von den Verbänden gemeinsam der Europäischen Kommission [3] angezeigt. Hinzukommt, dass durch vermehrten Einsatz regenerativer Energie die rotierenden Massen zur Energieerzeugung abnehmen. Hierdurch steigt der Bedarf, durch eine geeignete Messtechnik die relevanten Vorgänge sicht- und bewertbar zu machen. Messsysteme, welche sich diesem Thema annehmen sind bekannt aus, DE 10 2004 022 719 B4 , DE 10 2010 018 996 A1 , DE 20 2014 009 161 U1 , EP 000002690451 A1 , EP 000002957918 A1 , US 020110080197 A1 , US 020130154878 A1 und US 000005899960 A1 .The use of new technologies in the power supplies and the feedback of power to the power grid to increase the efficiency of the equipment, a significant change in the current network behavior and mutual interference is expected. The resulting problem was reported jointly by the associations to the European Commission [3]. In addition, by increasing the use of renewable energy, the rotating masses for energy production decrease. This increases the need to make the relevant processes visible and assessable by means of a suitable measuring technique. Measuring systems which address this topic are known, DE 10 2004 022 719 B4 . DE 10 2010 018 996 A1 . DE 20 2014 009 161 U1 . EP 000002690451 A1 . EP 000002957918 A1 . US 020110080197 A1 . US 020130154878 A1 and US 000005899960 A1 ,

Problemeissues

Die Qualität des Stromnetzes wird heute meist nur bis 2 kHz entsprechend der Normen bewertet. Oberhalb dieser Frequenz können mit Standardmessgeräten wie Oszilloskop und Spektrumanalysatoren Ströme und Spannungen gemessen und separat ausgewertet werden. Spektrumanalysatoren liefern nur ein Leistungsdichtespektrum, wodurch die jeweilige Phaseninformation des Spektrums verloren geht, weshalb zur Berechnung der Leistungen und Impedanzen keine Phaseninformation herangezogen werden kann. Auf Basis der aufgezeichneten Signale von Oszilloskopen kann mit der Anwendung eine Fast Fourier Transformation ein Spektrum mit Phaseninformation erzeugt werden. Da die aufgezeichneten Signale im Allgemeinen nicht periodisch mit der Länge des Auswertefensters sind entsteht ein Leakage-Effekt, wodurch Signalanteile auf Frequenzen gemessen werden, auf denen sie im Originalsignal nicht vorhanden sind. Gerade durch die hohen Dynamikunterschiede der Signale werden hierdurch relevante Informationen vernichtet. Mit der Anwendung von Fenstern (z. B: Hanning-, Kaiser-Fenster) kann dieser Effekt reduziert werden. Durch die Anwendung des Fensters sind die Signalanteile nicht mehr Leistungsecht. D. h. für den gleichen Impuls am Eingang werden abhängig von der Lage im Auswertefenster unterschiedliche Leistungen ausgewertet und können somit zu einer echten Bewertung der Leistungen nicht herangezogen werden. Des Weiteren setzen einzelne Messverfahren eine Netzfrequenz von 50 Hz voraus, was meist gegeben ist, welche dann aber bei kritischen Netzzuständen mit Netzfrequenzen von < 48,5 Hz nicht mehr korrekt angewendet werden können oder große Messfehler erzeugen. Somit gibt es zu individuellen Fragestellungen einzelne Messverfahren, welche aber meist nicht für alle Situationen geeignet oder Fragestellungen ausreichend sind.The quality of the power network is today usually only up to 2 kHz according to the standards evaluated. Above this frequency, currents and voltages can be measured and evaluated separately with standard measuring instruments such as oscilloscopes and spectrum analyzers. Spectrum analyzers provide only a power density spectrum, whereby the respective phase information of the spectrum is lost, which is why no phase information can be used to calculate the power and impedances. On the basis of the recorded signals from oscilloscopes, a fast Fourier transformation application can be used to generate a spectrum with phase information. Since the recorded signals are generally not periodic with the length of the evaluation window, there is a leakage effect, whereby signal components are measured at frequencies on which they are not present in the original signal. Due to the high dynamic differences of the signals, relevant information is destroyed. Using windows (eg Hanning, Kaiser windows) can reduce this effect. The use of the window means that the signal components are no longer real. Ie. For the same pulse at the input, different powers are evaluated depending on the position in the evaluation window and can therefore not be used for a real evaluation of the services. Furthermore, individual measuring methods require a mains frequency of 50 Hz, which is usually the case, but which can then no longer be used correctly in critical network conditions with mains frequencies of <48.5 Hz or produce large measurement errors. Thus, there are individual measurement questions for individual questions, but these are usually not suitable for all situations or questions are sufficient.

Zusätzlich haben Untersuchungen der Impedanz und Störungen eine Zeitvarianz aufgezeigt [3]. Beobachtungen zeigen eine Zyklostationariät der Vorgänge mit der Netzfrequenz. Zeitbereichssignale und Spektogramme können diese darstellen, nicht aber stochastisch Auswerten. Derartige Auswertungen werden dann teilweise offline unter der Annahme einer festen Netzfrequenz durchgeführt.In addition, studies of impedance and noise have shown a time variance [3]. Observations show a cyclostationarity of the processes with the network frequency. Time domain signals and spectrograms can represent these, but not stochastically evaluate. Such evaluations are then partially performed offline assuming a fixed network frequency.

EMV-Messungen im Labor werden nach Vorschrift an einer LISN (Line Impedanec Simulation Network) durchgeführt. Messungen [3] haben gezeigt, dass sich bereits heute das Stromnetz so stark verändert hat, dass sie nicht mehr als Abbildung der Realität dienen kann. Deshalb können alle diese Messungen, welche für die CE-Zertifizierung eines Gerätes notwendig sind, nicht für die Vorhersage des Verhaltens in der Realität verwendet werden. Realitätsnahe Messungen sind derzeit weder genormt, noch existiert ein ausreichendes Verständnis um umfassend neue Modelle zu entwickeln. Dies kann nur durch eine Vielzahl von Messungen von Netzzugangspunkten und Geräten mit geeigneten Messverfahren und -geraten zur vollständigen Ermittlung aller Einflussfaktoren erfolgen.EMC measurements in the laboratory are carried out according to instructions on a LISN (Line Impedanec Simulation Network). Measurements [3] have shown that even today the power grid has changed so much that it can no longer serve as an illustration of reality. Therefore, all these measurements, which are necessary for the CE certification of a device, can not be used for the prediction of behavior in reality. Realistic measurements are currently neither standardized, nor is there a sufficient understanding to develop new models. This can only be done by a large number of measurements of network access points and devices with suitable measuring methods and devices for the complete determination of all influencing factors.

Lösungsolution

Als Anschluss wird der Punkt bezeichnet, an dem ein Gerät oder beliebiges Objekt (Verbraucher oder Erzeuger) oder auch Teilnetz an das Versorgungsnetz angeschlossen ist und für den die die charakteristischen Eigenschaften (Spannungen, Ströme, Leistungen) berechnet werden sollen. Da sich beide Seiten gegenseitig beeinflussen wird hierfür ein charakteristisches Ersatzmodell sowohl für das angeschlossene Objekt als auch für das Verhalten des Stromnetztes am Anschluss benötigt. Bild 1 zeigt einen Netzübergang eines 3-Phasen Systems mit den Phasen L1, L2, L3 und dem Neutralleiter N. Einphasensysteme mit L und N oder auch Systeme ohne Neutralleiter können als Spezialfall hieraus abgeleitet werden. Als Beispiel für ein Ersatzmodell ist eine von mehreren möglichen Darstellungen angegeben, welche meistens ineinander umgerechnet werden können. Da das Ersatzmodell eine vollständige Beschreibung der Eigenschaften ermöglicht kann es sowohl zur Beschreibung der Eigenschaften des Stromnetzes als auch des angeschlossenen Objektes verwendet werden. Jede Phase wird hier unabhängig von den anderen auf Neutralleiter bzw. dem virtuellen Sternpunkt eines Systems ohne Neutralleiter bezogen. Die Eigenschaften der Phase werden entweder durch eine ideale Spannungsquelle und einem hierzu in Reihe geschalten Innenwiderstand, oder einer Stromquelle mit parallelgeschalteter Impedanz charakterisiert. Ein rein passives System kann als Spezialfall mit einer Stromquelle von 0 A betrachtet werden. Alle diese Elemente können für verschiedene Frequenzen unterschiedliche Werte annehmen. Prinzipiell sind diese Werte auch von der Zeit abhängig. Meistens wird aber ein zyklostationäres Verhalten angenommen und somit die Werte für die einzelnen Phasenlagen ermittelt. Die verbliebenen Unsicherheiten können mit Kenngrößen der Stochastik abgebildet werden.A connection is the point at which a device or any object (consumer or generator) or subnetwork is connected to the supply network and for which the characteristic properties (voltages, currents, powers) are to be calculated. That I For this purpose, a characteristic substitute model is required for both the connected object and the behavior of the power supply network at the connection. Figure 1 shows a network transition of a 3-phase system with the phases L1, L2, L3 and the neutral conductor N. Single-phase systems with L and N or also systems without neutral conductor can be derived from this as a special case. As an example of a substitute model one of several possible representations is indicated, which can usually be converted into each other. Since the replacement model allows a complete description of the properties, it can be used both to describe the properties of the power grid and the connected object. Each phase is referenced independently of the others to neutral or the virtual neutral point of a system without a neutral conductor. The characteristics of the phase are characterized by either an ideal voltage source and an internal resistance connected in series, or a current source with parallel-connected impedance. A purely passive system can be considered as a special case with a current source of 0A. All of these elements can take different values for different frequencies. In principle, these values also depend on the time. Usually, however, a cyclostationary behavior is assumed and thus the values for the individual phase positions are determined. The remaining uncertainties can be mapped with parameters of stochastics.

Die Aufgabe des Messsystems ist es somit sowohl an einem Anschluss zum Netz, als auch für ein anzuschließendes Objekt im Labor diese Ersatzmodelle vollständig zu ermitteln. Das Verhalten an einem Anschluss kann dann vorhergesagt werden. Bei ausreichend genauer Beschreibung der Verkabelung können auch Netzmodelle und gegenseitige Beeinflussung von angeschlossenen Objekten berechnet werden. Zusätzlich sollen alle bisher üblichen Messgrößen weiterhin ermittelt werden können.The task of the measuring system is thus to determine these substitute models completely both at a connection to the network, as well as for an object to be connected in the laboratory. The behavior on a port can then be predicted. If the cabling is described in sufficient detail, network models and the mutual influence of connected objects can also be calculated. In addition, all previously customary measured variables should continue to be determined.

Bild 2 zeigt einen typischen Aufbau für ein derartiges Messsystem ( DE 20 2014 009 161 U1 ). Auf der rechten Seite ist das Messobjekt platziert. Dies kann ein anzuschließendes Objekt oder auch das zu vermessende Stromnetz am Anschlusspunkt sein. Hierzu werden die 3 Phasen L1, L2, L3 und der Neutralleiter durch das Messsystem geführt. Die Ströme der einzelnen Phasen und des Neutralleiters werden mit Hilfe von Strommesswandlern (z. B: Strommesszange, induktiver Messwandler, Shunt, ...) in ein Messsignal umgewandelt und einer Messwerterfassung zugeführt. Über einen gemeinsamen Taktgeber synchronisierte Messkanäle wandeln die Messsignale in digitalisierte Messwerte. Eine Korrektur der Eigenschaften der Messwandler kann hier bereits vorgenommen werden. Wird ein Shunt als Stromwandler eingesetzt, muss auf eine galvanische Trennung der Messkanäle geachtet werden. Diese ist ohne Verlust an Genauigkeit oft erst an einer digitalen Schnittstelle durchführbar und kann zu separaten Messwerterfassungseinheiten, gegebenenfalls sogar mit Teilen der Signalverarbeitung zur Datenreduktion (ihren. Die Spannungen der einzelnen Phasen gegenüber dem Neutralleiter werden über Spannungsmesswandler erfasst und als Messsignale den Messkanälen der Messwerterfassung zugeführt. Teilweise können die Spannungen auch ohne Messwandler den Messkanälen direkt zugeführt werden. Da der Einfluss der Spannungsmessung auf die Strommessung vernachlässigbar ist wird ein spannungsrichtiges Messverfahren gewählt. Bei gleichzeitiger Messung von verschiedenen Anschlusspunkten im Netz ist eine Zeitsynchronisation der Messsysteme sinnvoll. Hierfür kann unter anderem ein PPS-Signale (pulse per second) einer externen Zeitsynchronisationseinheit auf einem weiteren Messkanal erfasst und ausgewertet werden. Sowohl die Messwandler als auch entsprechende Messwerterfassungsgeräte mit der Möglichkeit die digitalisierten Messwerte in der entsprechenden zeitlichen Auflösung an Rechensystem weiterzureichen können am Markt bezogen werden [4]. Zur Kostenreduktion sind sowohl komplett integrierte Messsystem für dezentrale Erzeuger und leistungsstarke Verbraucher, als auch eine Integration in hochwertige Stromzähler vorstellbar.Figure 2 shows a typical structure for such a measuring system ( DE 20 2014 009 161 U1 ). The measurement object is placed on the right side. This can be an object to be connected or also the power network to be measured at the connection point. For this purpose, the 3 phases L1, L2, L3 and the neutral conductor are led through the measuring system. The currents of the individual phases and of the neutral conductor are converted into a measuring signal with the aid of current measuring transducers (eg: Clamp meter, inductive measuring transducer, shunt, etc.) and fed to a measured value acquisition. Measuring channels synchronized via a common clock convert the measuring signals into digitized measured values. A correction of the properties of the transducer can already be made here. If a shunt is used as a current transformer, attention must be paid to galvanic isolation of the measuring channels. This can often only be carried out at a digital interface without loss of accuracy and can be fed to separate measured value acquisition units, possibly even with parts of the signal processing for data reduction In some cases, the voltages can be fed directly to the measuring channels without the need for transducers.As the influence of the voltage measurement on the current measurement is negligible, a voltage-correct measuring method is selected.With simultaneous measurement of different connection points in the network, a time synchronization of the measuring systems makes sense PPS signals (pulse per second) of an external time synchronization unit are recorded and evaluated on a further measuring channel the possibility of passing on the digitized measured values to the computing system in the corresponding temporal resolution can be obtained on the market [4]. To reduce costs, a completely integrated measuring system for decentralized generators and high-performance consumers as well as an integration into high-quality electricity meters are conceivable.

Kernstück der Erfindung ist die Kombination der Messwertauswertung der einzelnen Kanäle, Netzfrequenzregelung, sowie die Auswertung kombinierter Signale und deren Bewertung. Die Ergebnisse werden zum Anzeigen und Speichern bereitgestellt.The core of the invention is the combination of the measured value evaluation of the individual channels, network frequency control, as well as the evaluation of combined signals and their evaluation. The results are provided for viewing and saving.

Bild 3 zeigt den Messaufbau im Labor um ein an das Stromnetz anzuschließendes Objekt, Prüfling genannt, zu charakterisieren. Der Prüfling kann sowohl Verbraucher als auch Erzeuger sein. Ein Objekt kann gleichzeitig auf einer Frequenz ein Verbraucher und auf anderen Frequenzen ein Erzeuger sein. Hierzu wird der Prüfling als Messobjekt an das Messsystem angeschlossen, welches die Ergebnisse der Untersuchung zur Anzeige und Speicherung bereitstellt. Das Stromnetz liefert die Versorgungsspannungen, bzw. dient als Lastsenke für einen Erzeuger auf der Netzfrequenz. Die Aufgabe des Netzfilters ist es, Störungen aus dem Stromnetz von dem Messsystem fern zu halten. Die Ausgangsimpedanz des Netzfilters ist für höhere Frequenzen möglichst hochohmig auszubilden. Für EMV-Messungen nach den gültigen Normen ist die Messung an einer in den Normen spezifiziertes Netzimpedanzsimulationsnetzwerk (line impedance simulation network, LISN) vorgeschrieben. Der Einfluss der Stromwandler im Messsystem ist in dieser Einheit zu kompensieren, so dass der Prüfling die entsprechende Netzimpedanz sieht.Figure 3 shows the test set-up in the laboratory to characterize an object to be connected to the power grid, called test specimen. The candidate can be both a consumer and a producer. An object can simultaneously be a consumer on one frequency and a producer on other frequencies. For this purpose, the test object is connected as a measuring object to the measuring system, which provides the results of the examination for display and storage. The power grid supplies the supply voltages, or serves as a load sink for a generator at the mains frequency. The task of the network filter is to keep disturbances from the power network away from the measuring system. The output impedance of the line filter is to be formed as high as possible for higher frequencies. For EMC measurements in accordance with the valid standards, the measurement is prescribed on a line impedance simulation network (LISN) specified in the standards. The influence of the current transformers in the measuring system must be compensated in this unit, so that the test object sees the corresponding network impedance.

Um die einzelnen Komponenten des Ersatzmodels bestimmen zu können sind mehrere Messungen notwendig. Hierbei können die Komponenten nicht direkt bestimmt werden, sondern müssen aus den Messungen zusammen mit Daten aus der Kalibrierung des Messsystems zur Kompensation von parasitären Effekten von Bauteilen und Kabeln des Aufbaus, zurückgerechnet werden. Für die Kalibriemng werden anstelle des Prüflings Normale angeschlossen und damit das Messsystem justiert bzw. die Korrekturterme für die nachfolgende Messung bestimmt. Für eine Messung zur vorwiegenden Bestimmung der idealen Spannungsquelle wird das Messsystem direkt an das möglichst hochohmige Netzfilter angeschlossen. Bei der nächsten Messung zur vorwiegenden Bestimmung des Innenwiderstands der Spannungsquelle wird an der Stelle der LISN ein Kurzschlussmodul mit Netzfrequenzblockern geschaltet. Ideal wäre ein echter Kurzschluss, der aber wegen den entstehenden Strömen nicht realisierbar ist. Die Netzfrequenzblocker haben die Aufgabe die Grundschwingung auf 50 Hz bzw. 60 Hz zu blockieren und hier nur einen begrenzten Strom zuzulassen, für alle anderen Frequenzen aber möglichst leitend zu sein. Eine einfache Implementierung eines Netzfrequenzblockers kann mit einer Kapazität erfolgen, aber auch höherwertige Lösungen mit Filter höherer Ordnung sind möglich. In einer weiteren Messung soll vorwiegend die parallel zur Stromquelle liegende Impedanz im Ersatzmodell bestimmt werden. Hierzu werden auf den einzelnen Phasen Testsignale vor dem Messsystem eingespeist um die Reaktion des Prüflings auf die Signale mit dem Messsystem zu erfassen. Als Testsignal kann z. B. ein Rauschen verwendet werden, welches alle Frequenzen enthält oder Chirp-Signale, welche nacheinander auf allen Frequenzen monofrequente Schwingungen erzeugt. Zum Schutz der Testsignalgeneratoren sind wieder Netzfrequenzblocker einzusetzen. In order to be able to determine the individual components of the replacement model, several measurements are necessary. Here, the components can not be determined directly, but must be calculated back from the measurements together with data from the calibration of the measuring system to compensate for parasitic effects of components and cables of the structure. For the calibration, normal are connected instead of the test specimen and thus the measuring system is adjusted or the correction terms are determined for the subsequent measurement. For a measurement to predominantly determine the ideal voltage source, the measuring system is connected directly to the high-impedance line filter. In the next measurement to predominantly determine the internal resistance of the voltage source, a short-circuit module with mains frequency blockers is connected at the location of the LISN. Ideal would be a real short circuit, but because of the resulting currents is not feasible. The power frequency blocker have the task of blocking the fundamental to 50 Hz or 60 Hz and to allow only a limited current, but to be as conductive as possible for all other frequencies. A simple implementation of a power frequency blocker can be done with a capacity, but also higher order solutions with higher order filters are possible. In a further measurement mainly the impedance parallel to the current source is to be determined in the replacement model. For this purpose, test signals are fed in front of the measuring system on the individual phases in order to record the reaction of the test object to the signals with the measuring system. As a test signal z. As a noise can be used, which contains all frequencies or chirp signals, which generates successive monofrequente vibrations on all frequencies. To protect the test signal generators are again Netzfrequenzblocker use.

Bild 4 zeigt den Messaufbau um einen Anschlusspunkt am Stromnetz zu charakterisieren. Auch in diesem Fall wird eine Justierung des Messsystems und Berechnung von Korrekturwerten anhand von Normalen erfolgen. Hierbei können parasitäre Effekte der Zuleitungen zu dem Anschlusspunkt bereits eliminiert werden. Das Messobjekt ist das Stromnetz, an welches das Messsystem angeschlossen wird. Auch hier sind wieder mehrere Messungen notwendig. Zum einen wird mit offenem Ende gemessen, um die Spannungsquellen der Ersatzmodelle bestimmen zu können. Die nächste Messung erfolgt mit einem Kurzschluss, welcher wieder die Netzfrequenzblocker enthält um den Innenwiederstand der Ersatzmodelle zu bestimmen. Bei der weiteren Messung werden wieder Testsignale aus einer Signalquelle eingespeist, wobei die Signalgeneratoren durch die Netzfrequenzblocker geschützt werden. Alternativ zu Messung mit offenen Ende und Kurzschluss können auch Messungen mit definierten Widerständen als Leitungsabschlüsse verwendet werden. Kurzschluss und offenes Ende werden nur als eine spezielle Ausprägung von möglichen Leitungsabschlüssen betrachtet.Figure 4 shows the test setup to characterize a connection point on the mains. In this case too, an adjustment of the measuring system and calculation of correction values will be made on the basis of normals. In this case, parasitic effects of the supply lines to the connection point can already be eliminated. The measuring object is the power grid to which the measuring system is connected. Again, several measurements are necessary again. On the one hand, the open end is measured in order to be able to determine the voltage sources of the replacement models. The next measurement is done with a short circuit, which again contains the mains frequency blocker to determine the internal resistance of the replacement models. In the further measurement test signals from a signal source are fed again, the signal generators are protected by the power frequency blocker. As an alternative to measurement with open end and short circuit, measurements with defined resistances can also be used as line terminations. Short circuit and open end are considered only as a special expression of possible line terminations.

Zur Verifikation der Modelle, kann dann auch ein konkreter Prüfling an das Messsystem, welches wiederum an einem konkreten Netzzugangspunkt hängt, angeschlossen werden. Hierbei ist dann zu berücksichtigen, dass die Stromwandler Einfluss auf die vom Prüfling sichtbare Impedanz des Stromnetzes haben. Hier kann dann auch eine reine Spannungsmessung ohne Stromwandler sinnvoll sein.For verification of the models, a concrete test object can then be connected to the measuring system, which in turn depends on a specific network access point. It should then be taken into account that the current transformers have an influence on the impedance of the power network that is visible from the test object. Here then a pure voltage measurement without current transformer can be useful.

Von der Messwerterfassung liegen nun von mehreren Kanäle synchron abgetasteten Strom- und Spannungswerten vor. Hierzu ist der Abtasttakt aus einer einzigen Taktquelle mit hoher Güte abzuleiten. Die Abtastfrequenz ist starr und wird nicht der Netzfrequenz angepasst. Sind die einzelnen Messkanäle in einer Messwertauswertung integriert (z. B. [4]) so ist dies automatisch gegeben. Andernfalls ist es in der Messtechnik üblich, Messgeräte mit einem externen Referenztakt zu versorgen. Es wird ein im Vergleich zum Messbereich relative hohe Abtastfrequenz gewählt um Beeinflussungen des Messsignals durch vor einer Abtastung zum Erhalt der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) immer notwendigen Anti-Alias Filter minimal zu halten. Auch muss sichergestellt werden, dass die Frequenzgänge der Filter im Messbereich die Messgenauigkeit nicht unzulässig beeinflussen.From the measured value acquisition, there are now several synchronously sampled current and voltage values from several channels. For this purpose, the sampling clock is derived from a single clock source with high quality. The sampling frequency is fixed and is not adapted to the mains frequency. If the individual measuring channels are integrated in a measured value evaluation (eg [4]), this is automatically given. Otherwise, it is customary in measuring technology to supply measuring devices with an external reference clock. A relatively high sampling frequency compared to the measuring range is selected in order to minimize the influence of the measuring signal by anti-alias filters, which are always necessary before sampling in order to obtain the electromagnetic compatibility (EMC). It must also be ensured that the frequency responses of the filters in the measuring range do not unduly influence the measuring accuracy.

Bild 5 stellt die Messauswertung der einzelnen Kanäle dar. Die Ergebnisse der einzelnen Kanäle werden im Weiteren einzeln oder kombiniert ausgewertet und weiterverarbeitet. Prinzipiell werden hier alle Strom- und Spannungskanäle gleich behandelt, wobei ein Kanal, meistens Spannung der Phase L1, als Referenz für die Netzfrequenz- und Phasenlagenregelung verwendet wird und die Stellgröße aus diesem Regler der Messwertauswertung der anderen Kanälen zur Verfügung gestellt wird. Somit kann auch weiterhin sichergestellt werden, dass die Abtastwerte zueinander synchron sind.Figure 5 shows the measurement evaluation of the individual channels. The results of the individual channels are then evaluated individually and combined and processed further. In principle, all current and voltage channels are treated the same here, with one channel, usually voltage of phase L1, being used as the reference for the mains frequency and phase control, and the manipulated variable from this controller is made available to the measured value evaluation of the other channels. Thus, it can be further ensured that the samples are synchronous with each other.

Die Grundschwingung und die ersten harmonischen Oberschwingungen können Signalstärken enthalten, welche um ein vielfaches höher sind als die zu messenden Signalstärken auf höheren Frequenzen. Dass Messsystem muss somit in einer Messung eine sehr hohen Dynamikbereich zwischen einzelnen Frequenzen abdecken können. Für die spektrale Auswertung soll ein auf der diskreten Fourier-Transformation (DFT) beziehungsweise Fast Fourier Transformation (FFT) basierendes Verfahren der Wavelet-Analyse eingesetzt werden, wobei die reine Anwendung der DFT als Spezialfall mit Rechteckfenster enthalten ist. Die mathematische Definition der DFT setzt ein periodisches Signal mit einer Periodendauer gleich dem Auswertefensters voraus. Wird die DFT nun auf Signale angewendet, welche nicht mit der Länge des Auswertefensters periodisch sind, so entsteht der Leakage-Effekt und es werden Signalanteile in Frequenzen ausgewertet, wo im Originalsignal keine Signalanteile vorhanden sind und zu falschen Messergebnissen führen. Da z. B. thermisches Rauschen zu keiner Periodendauer periodisch ist, gibt es immer Signale, wo dieser Effekt nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, wobei die später beschriebene Fensterung als Bestandteil der Wavelet-Analyse hier Vorteile bringt. Für die Grundschwingung und harmonischen Oberschwingung der Ströme- und Spannungen aus dem Stromnetz kann aber ein Auswertefenster mit der Länge der Periodendauer der Grundschwingung, bzw. eines beliebigen ganzzahligen Vielfachen, gewählt werden und somit der Leakage-Effekt für diese Signalanteile vermieden werden. Nominal sind diese Frequenzen der Grundschwingung 50 Hz bzw. 60 Hz. Je nach Lastsituation schwanken aber die Frequenzen. Diese Schwankungen sind in Inselnetzen wesentlich höher als wir es hier in Europa im Verbundnetz unter Normalbedingungen gewöhnt sind. Messgeräte in diesem Bereich werden oft auf Frequenzschwankungen von ±10% und eine Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz von mehreren Hz pro Sekunde ausgelegt. Eine Regelung der Abtastraten in der Messwerterfassung (wie aus US 2011/0080197 A1 bekannt) ist meist nicht vorteilhaft, da dieser Vorgang Einfluss auf die Messgenauigkeit und Auslegung der analogen Komponenten haben kann. Eine Anpassung der Anzahl von Abtastwerten pro Auswertperiode würde zu deutlichen Performanceverlusten der Algorithmen führen (DFT statt FFT) und zu einer dynamischen Veränderung der Anzahl von Frequenzpunkten. Auch würden Flattereffekte durch die zeitliche Quantisierung entstehen, welche nicht vorteilhaft sind und eine genaue Netzfrequenzanalyse erschweren. Dennoch würde auch hierauf ein Großteil der weiteren Arbeitsschritte angewendet werden können.The fundamental and the first harmonic harmonics may contain signal strengths that are many times higher than the signal strengths to be measured at higher frequencies. The measuring system must therefore be able to cover a very high dynamic range between individual frequencies in one measurement. For the spectral evaluation, a method of wavelet analysis based on the discrete Fourier transformation (DFT) or Fast Fourier Transformation (FFT) is to be used, the pure application of the DFT being included as a special case with rectangular windows. The mathematical definition of the DFT implies a periodic signal a period equal to the evaluation window ahead. If the DFT is now applied to signals which are not periodic with the length of the evaluation window, the leakage effect is produced and signal components are evaluated in frequencies where no signal components are present in the original signal and lead to incorrect measurement results. Because z. B. thermal noise is periodic to any period, there are always signals where this effect can not be completely excluded, the fenestration described later as part of the wavelet analysis brings benefits here. For the fundamental and harmonic harmonic currents and voltages from the mains, however, an evaluation window with the length of the period of the fundamental, or any integer multiple, are selected and thus the leakage effect for these signal components can be avoided. These frequencies are nominally 50 Hz and 60 Hz, respectively. Depending on the load situation, however, the frequencies fluctuate. These fluctuations are much higher in isolated networks than we are used to in Europe in the interconnected network under normal conditions. Measuring devices in this range are often designed for frequency fluctuations of ± 10% and a rate of change of the frequency of several Hz per second. A regulation of the sampling rates in the measured value acquisition (as out of US 2011/0080197 A1 known) is usually not advantageous, since this process can affect the measurement accuracy and design of the analog components. An adjustment of the number of samples per evaluation period would lead to significant performance losses of the algorithms (DFT instead of FFT) and to a dynamic change in the number of frequency points. Also, flutter effects would be caused by the temporal quantization, which are not advantageous and complicate an accurate grid frequency analysis. Nevertheless, a large part of the further work steps would also be applicable to this.

Im Weiteren wird davon ausgegangen, dass eine feste Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung erzeugt wird. Um die maximale Effizienz der FFT realisieren zu können werden dies N_FFT = 2^k sein. Hierfür wird eine Abtastratenkonvertierung eingesetzt, bei welcher das Ratenverhältnis sehr fein quantisiert und dynamisch angepasst werden kann. Bei einer Abtastratenkonvertierung können neue Alias-Effekte entstehen, weshalb vor der Abtastratenkonvertierung entsprechend dem Stand der Technik immer ein geeignetes Filter einzusetzen ist. Eine mögliche Implementierung einer Abtastratenkonvertierung ist ein Interpolator, welcher in der Lage ist zwischen 2 existierenden Abtastwerten neue Abtastwerte zu generieren. Hierzu kann er entweder nur die beiden benachbarten Abtastwerte (lineare Interpolation) oder mehrere Abtastwerte in der Nähe (spline Interpolation) berücksichtigen. Bei einer ausreichend hohen Abtastrate und einem der Interpolation vorgeschalteten Tiefpass können auch mit der einfach zu implementierenden linearen Interpolation für fast beliebig genau zu wählende Positionen gute Ergebnisse für Abtastratenkonvertierungen um den Faktor 1 bis 2 erzielt werden. Dieser Faktor berechnet sich aus dem Abstandsintervall am Eingang zum Abstandsintervall am Ausgang. Der Abtastratenfaktor kann somit fast beliebig genau in diesem Bereich eingestellt werden und ist proportional zur Stellgröße im Rahmen der Netzfrequenzregelung. Eine weitere Abtastratenreduktion um einen festen Faktor (Ganzzahl, Zweierpotenz bevorzugt) kann in einem oder mehreren Schritten durch Tiefpassfilterung und Unterabtastung erfolgen. Die Filter müssen neben der Unterdrückung der Spiegelfrequenzen auch dafür entworfen sein, dass der Messbereich nicht unzulässig beeinflusst wird.It is further assumed that a fixed number of samples per fundamental is generated. In order to realize the maximum efficiency of the FFT, these will be N _FFT = 2 ^k . For this purpose, a sampling rate conversion is used in which the rate ratio can be very finely quantized and dynamically adjusted. With a sample rate conversion, new aliasing effects can arise, which is why a suitable filter should always be used before the sample rate conversion according to the prior art. One possible implementation of sample rate conversion is an interpolator capable of generating new samples between 2 existing samples. For this purpose, it can either only consider the two adjacent samples (linear interpolation) or several samples in the vicinity (spline interpolation). With a sufficiently high sampling rate and a low-pass filter upstream of the interpolation, good results for sampling rate conversions can be achieved by a factor of 1 to 2, even with the easy-to-implement linear interpolation for positions which can be selected almost arbitrarily. This factor is calculated from the distance interval at the input to the distance interval at the output. The sampling rate factor can thus be set almost as precisely in this range and is proportional to the manipulated variable in the context of power frequency control. Another sample rate reduction by a fixed factor (integer, power of two preferred) can be done in one or more steps by low-pass filtering and subsampling. In addition to suppressing the image frequencies, the filters must also be designed so that the measuring range is not unduly influenced.

An dieser Stelle entsteht somit für alle Messkanäle ein mit der Grundschwingung auf dem Referenzsignal L1 für die Netzfrequenzregelung synchronisiertes Zeitsignal mit genau N_FFT Abtastwerten pro Periodendauer der Grundschwingung. Der Index der Abtastwerte ist somit immer proportional zur Phase der Grundschwingung auf dem Referenzsignal L1.At this point, a time signal synchronized with the fundamental oscillation on the reference signal L1 for the mains frequency control thus arises for all measuring channels with exactly N _FFT sampling values per period of the fundamental oscillation. The index of the samples is thus always proportional to the phase of the fundamental on the reference signal L1.

Diese Signale aller Ströme und Spannungen wird unter anderem zur weiteren Auswertung im Zeitbereich zur Verfügung gestellt und können typischer weise für jede Phasenlage separat oder in Gruppen nach stochastischen Kenngrößen wie Erwartungswert, Varianz, Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, ... analysiert und die Ergebnisse in verscheiden Darstellungsformen angezeigt und gespeichert werden. Entsprechende Darstellungen über der Zeit sind in Standardmessequipment vorhanden. Bei konstanter Netzfrequenz könnte dies äquivalent sein, oft ist aber die Phasenlage des Referenzsignals mit Standardmessequipment nicht in der gleichen Qualität zu bestimmen und deshalb kommen dann weitere zeitliche Ungenauigkeiten in der Aufzeichnung hinzu. In der hier angewendeten Methode kann hierfür eine Messung mit höherer Qualität realisiert werden. Auch können die Signale auf Einhaltung von Parameter überwacht und Events erzeugt werden, welche eine Speicherung von Daten oder Alarmierung auslösen.These signals of all currents and voltages are provided, inter alia, for further evaluation in the time domain and can typically for each phase separately or in groups according to stochastic parameters such as expected value, variance, probability density functions, ... analyzed and displayed the results in different forms of representation and get saved. Corresponding representations over time are available in standard measuring equipment. At constant mains frequency, this could be equivalent, but often the phase position of the reference signal with standard measuring equipment can not be determined in the same quality and therefore further temporal inaccuracies in the recording are added. In the method used here, a measurement with higher quality can be realized for this purpose. The signals can also be monitored for compliance with parameters and events can be generated which trigger data storage or alarms.

Diese Signale werden auch einer FFT basierten Wavelet-Analyse zur Verfügung gestellt. Diese besteht aus eine Fensterung und einer FFT. Das Rechteckfenster schließt als Spezialfall die direkte Anwendung der FFT ein. Im Gegensatz zu klassischen Fensterfunktion wird verlangt, dass mit der Grundschwingung periodische Signale mit der Anwendung der Fensterung nicht verändert werden. Dies wird durch die klassischen Fensterfunktionen zur Bekämpfung des Leakage-Effekts (Kaiser, Hanning, ...) nicht erfüllt, weshalb die Ergebnisse nicht mehr die richtige Energie wiederspiegeln und somit zur Messung von Energien nicht geeignet sind. Bei der hier angewendeten Fensterung wird ein Zeitbereich herangezogen, welcher größer ist als das Auswertefenster der FFT. Die einzelnen Abtastwerte werden individuell gewichtet und danach mit dem jeweils ebenfalls gewichteten Abtastwerten einer Periode der Grundschwingung später addiert. Die einzelnen Gewichte sind so gewählt, dass die Summe der Gewichte für jeden einzelnen Wert im Auswertefenster der FFT gleich 1 ist. Somit hat dies keinen Einfluss auf Signale, welche mit der Grundschwingung periodisch sind. Konstanten, welche sich auf alle Werte gleichermaßen auswirken, wurden in der Betrachtung vernachlässigt. Fensterfunktionen, welche diese Eigenschaft erfüllen und den Leakage-Effekt für nicht mit der Grundschwingung periodische Signale reduzieren sind Cos-Roll-Off und Trapezfenster. Bei einem sehr effektiven Cos-Roll-Off Fenster mit α = 1 ist das Verfahren identisch mit einer speziellen Art der Wavelet-Analyse.These signals are also provided to an FFT-based wavelet analysis. This consists of a window and an FFT. The rectangular window includes as a special case the direct application of the FFT. In contrast to the classic window function, it is required that with the fundamental oscillation periodic signals are not changed with the application of the windowing. This is not fulfilled by the classic window functions to combat the leakage effect (Kaiser, Hanning, ...), which is why the results are not more reflect the right energy and are therefore not suitable for measuring energy. In the case of the windowing applied here, a time range is used which is greater than the evaluation window of the FFT. The individual samples are weighted individually and then added later with the respectively also weighted samples of a period of the fundamental. The individual weights are selected such that the sum of the weights for each individual value in the evaluation window of the FFT is equal to 1. Thus, this has no effect on signals that are periodic with the fundamental. Constants that affect all values equally were neglected in the analysis. Window functions that fulfill this characteristic and reduce the leakage effect for signals that are not periodic with the fundamental are cos-roll-off and trapezoidal windows. For a very effective cos-roll-off window with α = 1, the procedure is identical to a special kind of wavelet analysis.

Bei einer lückenlosen Reihung der Auswertefenster für die FFT ergibt sich für die jeweils betrachteten Abtastwerte eine Überlappung. Für jeden Abtastwert wird sichergestellt, dass die Summe der Anteile, welche durch die Gewichtung auf verschieden Auswertefenster der FFT verteilt werden, wieder genau 100% betragen. Somit ist für jedes beliebige Signal sichergestellt, dass alle Teile zu 100% von der Messung erfasst werden und bei der Integration der Ergebnisse der einzelnen FFTs richtig bewertet werden. Dieses ermöglicht in der weiteren Verarbeitung auch eine Leistungs- und Energiemessung zu Abrechnungszwecken auf der Basis der spektralen Auswertung. Hierfür müssen die die Ergebnisse der Strom- und Spannungskanäle noch in Kombination ausgewertet werden.If the evaluation windows for the FFT are arranged without gaps, an overlap results for the respective sampled values considered. For each sample, it is ensured that the sum of the shares, which are distributed by weighting on different evaluation windows of the FFT, again exactly 100%. Thus, for any signal, it is ensured that all parts are 100% captured by the measurement and properly evaluated in integrating the results of each FFT. In the further processing, this also enables a power and energy measurement for billing purposes on the basis of the spectral evaluation. For this, the results of the current and voltage channels must still be evaluated in combination.

Im Abstand von einer Grundschwingung stehen somit die Ergebnisse der Wavelet-Analyse als ein komplexer Zahlenwert pro Frequenzpunkt für Gleichanteil, Grundschwingung und harmonische Oberschwingungen der weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Für mit der Grundschwingung periodische Signale ist dieses Ergebnis identisch mit einer Fourier-Transformation. Leistungen und Impedanzen können für jeden Frequenzpunkt und Phase (L1, L2, L3) aus der Kombination von Strom und Spannung entsprechend der komplexen Wechselstromrechnung bestimmt werden. Für jeden Frequenzpunkt und Phase können somit der Bezug- und Lieferung von Wirk- und Blindleitung angegeben und durch Integration über der Zeit die Energiemengen gesamt oder separiert nach Quadranten gezählt werden.At a distance of one fundamental, the results of the wavelet analysis are thus available as a complex numerical value per frequency point for DC, fundamental and harmonic of further processing. For signals that are periodic with the fundamental, this result is identical to a Fourier transform. Power and impedance can be determined for each frequency point and phase (L1, L2, L3) from the combination of current and voltage according to the complex AC calculation. Thus, for each frequency point and phase, the supply and delivery of active and stub lines can be specified and, by integration over time, the total or separated energy quantities can be counted according to quadrants.

Die Netzfrequenz- und Phasenlageregelung wird in Bild 6 dargestellt und verwendet als Messgröße den komplexen Zahlenwert für die Grundschwingung desjenigen Messkanals, welcher für das Referenzsignal verwendet wird (meistens Spannung der Phase L1). Die Phasenlage dieses Signals wird mit dem Sollwert für die Phasenlage (meist 0°) verglichen und die Abweichung als Regelabweichung dem Regler zugeführt. Alternativ mit einem vergleichbaren Ergebnis kann auch der Real- bzw. der Imaginärteil des komplexen Wertes gegenüber 0 als Regelabweichung verwendet werden. Der Regler kann klassisch entsprechend den Anforderungen an maximale Frequenzänderung pro Zeiteinheit und erreichbare Frequenzgenauigkeit zum Beispiel als PI-Regler ausgelegt werden und erzeugt als Stellgröße den Faktor für die Abtastratenkonvertierung. Die Abtastratenkonvertierung und die Wavelet-Analyse sind Bestandteil der Regelstrecke. Als Ergebnis bildet das System eine Phase Locked Loop auf der Grundschwingung des Referenzsignals. Durch die phasenstarre Kopplung des Systems ist es möglich aus den Werten des Reglers und einer Filterung in der Netzfrequenzberechnung die momentane Netzfrequenz sehr genau anzugeben. Netzfrequenzänderungen können frühzeitig erkannt und als Signale zur Verfügung gestellt werden. Dass System ist somit auch in der Lage Signale und Messwerte in Echtzeit für Geräte zu liefern, welche an der Regelung der Netzfrequenz beteiligt werden sollen.The mains frequency and phase position control is shown in Figure 6 and uses the complex numerical value for the fundamental frequency of the measuring channel used for the reference signal (usually voltage of phase L1) as the measured variable. The phase angle of this signal is compared with the setpoint for the phase angle (usually 0 °) and the deviation is fed to the controller as a control deviation. Alternatively, with a comparable result, the real or the imaginary part of the complex value to 0 can be used as a control deviation. The controller can be designed conventionally according to the requirements for maximum frequency change per unit time and achievable frequency accuracy, for example, as a PI controller and generates as a manipulated variable the factor for sampling rate conversion. Sample rate conversion and wavelet analysis are part of the controlled system. As a result, the system forms a phase locked loop on the fundamental of the reference signal. Due to the phase-locked coupling of the system, it is possible from the values of the controller and a filtering in the power frequency calculation to specify the current network frequency very accurately. Grid frequency changes can be detected early and provided as signals. The system is thus also able to deliver signals and measured values in real time for devices which are to be involved in the regulation of the network frequency.

Gerade mit elektrischen Schaltelementen in Netzteilen entstehen zeitvariante, aber zyklostationäre Störungen, die analysiert werden sollen, wodurch spektrale Auswertungen des Signals von kürzeren Zeitperioden als die Periode der Grundschwingung notwendig werden. Hierzu unterteilt die Segmentierung in Bild 5 das Zeitsignal in Ausschnitte und stellt diese mit der notwendigen Überlappung der Fensterung für eine Wavelet-Analyse zur Verfügung. Eine einfache und effiziente Implementierung ergibt sich, wenn 2^N Segmente pro Grundperiode realisiert werden. Jedes dieser Segmente hat nun gegenüber dem Referenzsignal der Grundschwingung eine charakteristische Phasenlage. Zeitliche Auflösung und spektrale Schärfe der Messungen werden hierbei gegeneinander ausgetauscht und müssen entsprechend dem jeweiligen Ziel der Messung angepasst werden. Da in diesem Fall auch netzsynchrone Signal bezüglich dem Auswertefenster der FFT nicht mehr periodisch sein müssen ist eine wirkungsvolle Maßnahme zur Minimierung des Leakage-Effekts notwendig und mit der Wavelet-Analyse gegeben. Auch hierbei wird sichergestellt, dass jeder Abtastwert zu genau 100% in den Auswertefenstern der FFTs vorhanden ist.Especially with electrical switching elements in power supplies arise time-variant, but cyclostationary disturbances that are to be analyzed, whereby spectral evaluations of the signal of shorter periods of time than the period of the fundamental oscillation are necessary. For this purpose, the segmentation in Figure 5 divides the time signal into sections and provides them with the necessary overlap of the windowing for a wavelet analysis. A simple and efficient implementation results when 2 ^N segments per basic period are realized. Each of these segments now has a characteristic phase position relative to the reference signal of the fundamental. The temporal resolution and the spectral sharpness of the measurements are hereby interchanged and must be adjusted according to the respective target of the measurement. Since, in this case, also network-synchronous signal with respect to the evaluation window of the FFT no longer need to be periodic, an effective measure for minimizing the leakage effect is necessary and given with the wavelet analysis. Here, too, it is ensured that each sample is present at exactly 100% in the evaluation windows of the FFTs.

Aus den berechneten Spektralwerten der Ströme und Spannungen für jedes Segment können mit Hilfe der komplexen Wechselstromrechnung für jeden Frequenzpunkt Leistungen (inkl. Richtung, Wirk- und Blindanteil) und Impedanzen (inkl. ohmscher, kapazitiver und induktiver Anteil) berechnet werden. Bei Messungen über mehrere Perioden von Grundschwingungen können Segmente mit gleicher charakteristischer Phasenlage zusammengefasst und die einzelnen Messgrößen mit den Werkzeugen der Stochastik analysiert werden. Die Messung der Spektralwerte über die gesamte Grundperiode können ebenfalls mit den gleichen Werkzeugen stochastisch ausgewertet werden. Hierbei ergeben sich signifikante Merkmale für einzelne Technologien oder sogar Geräten, welche als Fingerabdruck verwendet werden können um eine Identifizierung der aktuell angeschlossenen und verwendeten Geräten oder deren Betriebsmodi herzuleiten.From the calculated spectral values of the currents and voltages for each segment, power (including direction, active and reactive components) and impedances (including ohmic, capacitive and inductive component) can be calculated for each frequency point using the complex AC calculation become. For measurements over several periods of fundamental oscillations, segments with the same characteristic phase position can be combined and the individual measured variables analyzed with the tools of stochastics. The measurement of the spectral values over the entire fundamental period can also be evaluated stochastically using the same tools. This results in significant features for individual technologies or even devices that can be used as a fingerprint to derive an identification of the currently connected and used devices or their operating modes.

Bei Spannungen, Strömen oder Leistungen ist es von Interesse, ob die Signalanteile auf den jeweiligen Frequenzen periodisch mit der Grundschwingung des Referenzsignals sind (netzsynchron) oder eben nicht sind. Hierbei kann aus dem Verhältnis des Betrags über den Erwartungswert zu dem Erwartungswert der Beträge eine Aussage getroffen werden. Ist dieses Verhältnis annähernd 1, so ist von einem netzsynchronen Signal auszugehen, ist das Verhältnis sehr klein, so kann von einem nicht netzsynchronen Signal ausgegangen werden. Der Erwartungswert kann als Mittelwert oder mit Hilfe eines exponentiellen Glättungsfilters bestimmt werden. Auch können arithmetische und geometrische Mittelungen eingesetzt und auch miteinander verglichen werden. Neben den eigentlichen Messwerten ist auch Ihre Varianz, bzw. Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von Interesse, da hieraus Aussagen über das Entstehen der Signale und ihrem potentiellen Störverhalten abgeleitet werden können, was in der Demodulation von Nachrichtensystemen, welche über das Stromnetz kommunizieren, bereits genutzt wird [5].For voltages, currents or powers, it is of interest whether the signal components on the respective frequencies are periodic with the fundamental of the reference signal (network synchronous) or not. In this case, a statement can be made from the ratio of the amount over the expected value to the expected value of the amounts. If this ratio is approximately 1, it can be assumed that the signal is synchronized with the mains, if the ratio is very small, it can be assumed that the signal is not synchronous with the mains. The expected value can be determined as an average value or with the aid of an exponential smoothing filter. Also, arithmetic and geometric averages can be used and compared with each other. In addition to the actual measured values, your variance or probability density function is also of interest since it allows conclusions to be drawn about the origin of the signals and their potential interference behavior, which is already used in the demodulation of communication systems which communicate via the power network [5]. ,

Neben der Kombination von Strom und Spannung der einzelnen Phasen können auch aus der Kombination mehrerer Spannungen oder Ströme, bzw. Auswertung der Differenz zwischen Spannungen und Strömen neue Messwerte erzeugt und ausgewertet werden. Die Phasenlage eines Signals in Bezug auf die Phasenlage der Grundschwingung des Referenzsignals ist in den komplexen Werten des Frequenzbereiches bereits gegeben. Diese Kombinationen sind sowohl für die Darstellung im Zeitbereich, als auch im Frequenzbereich ermittelt über die Grundperiode bzw. Teilstücke der Grundperiode möglich. Einzelne Ausprägungen dieser Kombinationen, wie z. B. Spannungsymmetrie und Fehlerströme, sind Stand der Technik und werden teilweise von bestehenden Standards erfasst.In addition to the combination of current and voltage of the individual phases, new measured values can also be generated and evaluated from the combination of several voltages or currents, or evaluation of the difference between voltages and currents. The phase position of a signal with respect to the phase position of the fundamental of the reference signal is already given in the complex values of the frequency range. These combinations are possible both for the representation in the time domain, as well as in the frequency domain determined over the basic period or sections of the fundamental period. Individual versions of these combinations, such. As voltage balance and fault currents are state of the art and are partially covered by existing standards.

Ist das Messsystem über einen externen oder integrierten Zeitgeber ausreichend genau mit der Weltzeit synchronisiert, ist eine Integration in eine verteilte Messinfrastruktur wie die Synchronphasor Messtechnik möglich. Die zusätzlichen Messgrößen können dann ebenfalls in Kombination von mehreren Messsystemen ausgewertet werden.If the measuring system is synchronized with world time sufficiently accurately via an external or integrated timer, integration into a distributed measuring infrastructure such as synchronous phase measuring technology is possible. The additional measured variables can then also be evaluated in combination by several measuring systems.

Das Messsystem erzeugt nun in einer hohen Rate eine Vielzahl von Messwerten. Durch Ungenauigkeiten der Messwandler, thermischen Rauschen, Fremdstörungen und Effekte der Quantisierung in der digitalen Signalverarbeitung geben ein Teil dieser Messwerte nicht die Eigenschaften des Messobjektes wieder. Welcher Teil der Messwerte davon betroffen ist hängt von den Einsatzbedingungen und teilweise auch Eigenschaften des Messobjektes selber ab. Während zum Beispiel für netzsynchrone Ströme und Spannungen die Auswertung der Phasenlage sinnvoll ist, macht die gleiche Auswertung für nicht netzsynchrone Signale keinen Sinn. Somit ist eine Darstellung der Messwerte in der gleichen Messung für einzelne Frequenzpunkte sinnvoll, und für andere eben nicht. Die Erkennung, dass die Darstellung eines Messwerts sinnvoll ist, oder nicht kann automatisiert entweder aus anderen Messgrößen der gleichen Messung – wie vorher beschrieben – erfolgen, oder aus anderen Messungen zu Bestimmung der Messgenauigkeit des Messsystems durch Vergleich entschieden werden. Nur diejenigen Messwerte, welche durch die Eigenschaften des Messobjektes bestimmt werden, werden für die weitere Verarbeitung, Speicherung und Darstellung verwendet.The measuring system now generates a large number of measured values at a high rate. Due to inaccuracies of the transducers, thermal noise, foreign interference and effects of quantization in digital signal processing, some of these measurements do not reflect the properties of the measurement object. Which part of the measured values is affected depends on the conditions of use and partly also on the properties of the test object itself. While, for example, the evaluation of the phase position makes sense for line-synchronous currents and voltages, the same evaluation does not make sense for signals that are not network-synchronous. Thus, a representation of the measured values in the same measurement makes sense for individual frequency points, and not for others. The recognition that the representation of a measured value makes sense or not can be automated either from other measured quantities of the same measurement - as described above - or can be decided from other measurements for determining the measuring accuracy of the measuring system by comparison. Only those measured values, which are determined by the properties of the measurement object, are used for further processing, storage and display.

Für die vollständige Charakterisierung der Ersatzmodelle ist die Kombination von Messergebnissen aus mehreren Messungen notwendig, wobei unterschiedliche Leitungsabschlüsse bzw. Testsignalgeneratoren für die einzelnen Messungen zum Einsatz kommen. Aus der Relation der komplexen Messwerte im Frequenzbereich können Frequenzgänge berechnet werden. Aus der Kombination dieser Frequenzgänge und bekannten Elementen der Ersatzschaltbilder mit den zu charakterisierenden Ersatzmodellen können unter Anwendung der Laplace-Transformation die Parameter der Komponenten des Ersatzschaltbildes geschätzt werden. Da bereits die verwendete Anschlusstechnik bzw. auch die Lage der Anschlusskabel Einfluss auf die Richtigkeit des Messergenbisse haben kann, wird teilweise vor der eigentlichen Messung eine Kalibrierungsmessung mit Präzisionswiderständen als Normale durchgeführt, welche es erlauben die individuellen parasitären Elemente zu identifizieren, die Größen zu bestimmen und das Messergebnis der eigentlichen Messung entsprechend zu korrigieren. Ein entsprechendes Verfahren für die Impedanzmessung ist in [6] angegeben.For the complete characterization of the replacement models, the combination of measurement results from several measurements is necessary, whereby different line terminations or test signal generators are used for the individual measurements. Frequency responses can be calculated from the relation of the complex measured values in the frequency domain. From the combination of these frequency responses and known elements of the equivalent circuit diagrams with the replacement models to be characterized, the parameters of the components of the equivalent circuit diagram can be estimated using the Laplace transformation. Since already the connection technology used or the position of the connecting cable can influence the accuracy of the Messerbite, partially before the actual measurement a calibration measurement with precision resistors is performed as normal, which allow the individual parasitic elements to identify the sizes and Correct the measurement result of the actual measurement accordingly. A corresponding method for the impedance measurement is given in [6].

Referenzenreferences

[1] TF EMI STUDY REPORT ON ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE BETWEEN ELECTRICAL EQUIPMENT / SYSTEMS IN THE FREQUENCY RANGE BELOW 150 kHz, CENELEC SC205A / SEC0260 / R, April 2010
[2] TF EMI STUDY Electromagnetic Interference between Electrical Equipment / Systems in the Frequency Range below 150 kHz, Ed. 2, CENELEC SC205A / Sec0339 / R: April 2013
[3] TF EMI STUDY Electromagnetic Interference between Electrical Equipment / Systems in the Frequency Range below 150 kHz, Edition 3, CENELEC SC205A / Sec0400 / R: October 2015
[4] PICO Scope 4832: https://www.picotech.com/oscilloscope/4824/8-channel-oscilloscope on 8.2.2016
[5] On the Impact of Noise Power Estimation for Soft Information Generation in OFDM-based PLC Systems, IEEE International Symposium on Power-Line Communication 2016, Bottrop, Germany 20.3-23.3.2016
[6] On the impedance of the low-voltage distribution grids at frequencies up to 500 kHz, Sigle, M .; Wenqing Liu; Dostert, K .; Power Line Communications and Applications (ISPLC), 2012 16th IEEE International Symposium on, vol., No., Pp. 30-34, 27-30 March 2012

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Ersatzmodell für das Stromnetz am AnschlussReplacement model for the power grid at the connection
22: Anschlusspunktconnection point
33: Ersatzmodell für das Objekt (Gerät, Erzeuger, Verbraucher, Teilnetz)Replacement model for the object (device, producer, consumer, subnet)
44: Ideale SpannungsquelleIdeal voltage source
55: Innenwiderstand der SpannungsquelleInternal resistance of the voltage source
66: Ideale StromquelleIdeal power source
77: Eingangsimpedanzinput impedance
1010: Messsystemmeasuring system
1111: Messobjektmeasurement object
1212: Strommesswandler (Stromzange, Shunt, ...)Current measuring transducer (current clamp, shunt, ...)
1313: SpannungsmesswandlerVoltage Instrument Transformers
1414: MesswerterfassungData acquisition
1515: Messkanal (Analog → Digital)Measuring channel (analogue → digital)
1616: Gemeinsamer Taktgeber für MesskanäleCommon clock for measuring channels
1717: Ext. ZeitsynchronisationssignalExt. Time synchronization signal
1818: MesswertauswertungMeasurement evaluation
1919: Netzfrequenz-/PhasenlageregelungPower frequency / phase control
2020: Auswertung und BewertungEvaluation and evaluation
2121: Anzeige und SpeicherungDisplay and storage
3131: Stromnetzpower grid
3232: NetzfilterLine filter
3333: NetzimpedanzsimulationsnetzwerkLine impedance simulation network
3434: NetzfrequenzblockerMains frequency blockers
3535: TestsignalgeneratorTest signal generator
3636: Prüfling, MessobjektTest object, test object
4141: Stromnetz, MessobjektElectricity network, test object
4242: Kurzschluss mit NetzfrequenzblockernShort circuit with mains frequency blockers
5050: Abtastratenkonvertierungsample rate conversion
5151: Tiefpassfilter (nur bei linearen Interpolator)Low-pass filter (linear interpolator only)
5252: Interpolatorinterpolator
5353: Unterabtastung mit vorheriger TiefpassfilterungSub-sampling with previous low-pass filtering
5454: Fensterungwindowing
5555: Diskrete oder schnelle Fourier TransformationDiscrete or fast Fourier transformation
5656: Wavelet-AnalyseWavelet analysis
5757: Segmentierungsegmentation
5858: Auswertung im ZeitbereichEvaluation in the time domain
5959: Auswertung im FrequenzbereichEvaluation in the frequency domain
6161: Regelreferenzcontrol reference
6262: Soll-/Istwert VergleichSetpoint / actual value comparison
6363: RegeldifferenzControl difference
6464: Reglerregulator
6565: Stellgröße (Faktor der Abtastratenkonvertierung)Manipulated variable (factor of sampling rate conversion)
6666: Selektion des Spektralwertes für die GrundschwingungSelection of the spectral value for the fundamental oscillation
6767: Berechnung der PhaseCalculation of the phase
6868: NetzfrequenzberechnungMains frequency calculation

Claims

System for measuring the electrical characteristics at the point of connection of an electrical energy supply network, connected producers, consumers or subnetworks, characterized by the following features: - that currents and voltages are detected and digitized at several channels via transducers, The clock for the sampling in all channels comes from a common source independent of the measured properties, A sampling rate conversion adapting in operation to the frequency and phase position of the fundamental of a channel defined as a reference is used, which leads to a constant number of samples per fundamental frequency, A Fourier transformation with previous windowing is applied, which is greater than the evaluation window of the Fourier transformation, the individual samples are individually weighted and then added later with the respective likewise weighted samples of a period of the fundamental, so that with the duration of the fundamental periodic signals remain unchanged through the fenestration, - each individual sample in the sum of the shares, which are distributed by weighting to different evaluation windows, is completely covered by the measurement evaluation, Additional values from the combination of the results of the Fourier transformation of several channels can be calculated and evaluated.

System according to claim 1, additionally comprising the actual frequency of the fundamental frequency of the Reference defined channel defined, characterized by the following features: - that a scheme is used - are used to obtain the controlled variable phase, real or imaginary part or translatable representation of the result of the Fourier transform for the fundamental, - the manipulated variable is used to adjust the sample rate conversion - the frequency of the fundamental is calculated from the manipulated variable or quantities available within the controller.

System according to claims 1 and 2, additionally identifying, for each frequency, whether the signal is a harmonic of the fundamental, characterized by the following features: - that the results of several time-sequential Fourier transformations are evaluated together, An average value of the complex-valued results of the Fourier transformation is formed for the respective frequency, The amount, or sum of sums, of this mean with the arithmetic or geometric mean of the magnitude, or the magnitude square, of the complex-valued results of the Fourier transform are set or compared with each other.

System according to Claims 1 and 2, which additionally determines and evaluates short-term spectra synchronized with the phase position of the fundamental of the channel defined as reference, characterized by the following features: - That the signal in the time domain for the duration of a fundamental wave is divided into overlapping segments, which are to be distinguished by the respective phase relation to the fundamental of the channel defined as a reference, A windowing and Fourier transformation of these segments is carried out, - The results of this transformation of segments with the same phase angle are analyzed together with tools of stochastics.

System according to claim 1 and 2, which additionally determines the component of a replacement model, characterized by the following features: That several measurements are carried out with different line termination and / or test signal generator, The values of the components of the replacement model are determined from the ratios of the values after the Fourier transformation, - Parasitic effects of the structure are determined by a measurement with normals and taken into account in the determination of the values for the components of the replacement model.

Method for measuring the electrical properties at the connection point of an electrical energy supply network, connected producers, consumers or subnetworks, characterized by the following features: - that currents and voltages are detected and digitized at several channels via transducers, The clock for the sampling in all channels comes from a common source independent of the measured properties, A sampling rate conversion adapting in operation to the frequency and phase position of the fundamental of a channel defined as a reference is used, which leads to a constant number of samples per fundamental frequency, A Fourier transform with a previous windowing is applied, which is greater than the evaluation window of the Fourier transformation, the individual samples are individually weighted and then added later with the respectively likewise weighted samples of a period of the fundamental, so that the duration of the Fundamental oscillation periodic signals remain unchanged through the fenestration, - Each individual sample in the sum of the shares, which are distributed by the weighting on different evaluation windows, is completely covered by the measurement evaluation. Additional values from the combination of the results of the Fourier transformation of several channels can be calculated and evaluated.

Method according to Claim 6, which additionally determines the current frequency of the fundamental of the channel defined as reference, characterized by the following features: - that a scheme is used, To obtain the controlled variable the phase, real or imaginary part or transformation of the result of the Fourier transformation for the fundamental oscillation, - The manipulated variable is used to adjust the sample rate conversion - The frequency of the fundamental is calculated from the manipulated variable or within the controller existing sizes.

Method according to claims 6 and 7, which additionally identifies, for each frequency, whether the signal is a harmonic of the fundamental, characterized by the following features: - that the results of a plurality of temporally successive Fourier transforms are evaluated together, - an average value for the respective frequency the complex-valued results of the Fourier transform is formed, The amount, or sum of sums, of this mean with the arithmetic or geometric mean of the magnitude, or the magnitude square, of the complex-valued results of the Fourier transform are set or compared with each other.

Method according to Claim 6 and 7, which additionally determines and evaluates short-term spectra synchronized with the phase position of the fundamental of the channel defined as reference, characterized by the following features: - That the signal in the time domain for the duration of a fundamental wave is divided into overlapping segments, which are to be distinguished by the respective phase relation to the fundamental of the channel defined as a reference, A windowing and Fourier transformation of these segments is carried out, - The results of this transformation of segments with the same phase angle are analyzed together with tools of stochastics.

Method according to claim 6 and 7, which additionally determines the component of a replacement model, characterized by the following features: That several measurements are carried out with different line termination and / or test signal generator, The values of the components of the replacement model are determined from the ratios of the values after the Fourier transformation, - Parasitic effects of the structure are determined by a measurement with normals and taken into account in the determination of the values for the components of the replacement model.