BE1026134A1 - Messvorrichtung, Messsystem und Verfahren zur verteilten Energiemessung - Google Patents

Abstract

Die Messvorrichtung (301, 302, 303) umfasst einen Stromwandler (310), einen Energiespeicher (340), eine Messeinrichtung (370) zur Messung einer von der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms abhängigen Messgröße, eine Steuereinheit (360) zum Steuern der Messeinrichtung und zum Erfassen von mittels der Messeinrichtung (370) ermittelten Messwerten, und eine Kommunikationsschnittstelle (360) zur Kommunikation mit einer zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200), wobei die Steuereinheit (360) dazu ausgebildet ist, erfasste Messwerte und/oder aus erfassten Messwerten abgeleitete Werte mittels der Kommunikationsschnittstelle zu der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200) zu übertragen, die Steuereinheit (360) durch den Energiespeicher (340) mit Energie versorgt wird, und die Messvorrichtung (301, 302, 303) mit der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200) nicht zeitlich synchronisiert ist.

Description

Messvorrichtung, Messsystem und Verfahren zur verteilten Energiemessung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, ein Messsystem und ein Verfahren zur verteilten Energiemessung, insbesondere zur verteilten Strom- und Spannungsmessung stromdurchflossener Leiter.

Um in industriellen Einsatzgebieten Informationen über den Stromverbrauch und Zustand von Maschinen und Geräten zu erhalten, kann der benötigte Strom über das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters gemessen werden.

Zur Versorgung eines zu diesem Zweck eingesetzten Sensors können Methoden des sogenannten Energy Harvesting eingesetzt werden, wobei beispielsweise Licht, Vibration, elektromagnetische Strahlung oder Temperaturgradienten als Energielieferant dienen können. Es kann auch Energy Harvesting aus dem Magnetfeld des Leiters eingesetzt werden, wobei zu diesem Zweck beispielsweise ein Stromwandler zum Einsatz kommen kann, der um den jeweiligen Leiter angebracht wird.

Aus US 9,134,348 B2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Leistungsfaktors an interessierenden Punkten, beispielsweise Sicherungen, Maschinen und dergleichen, bekannt, wobei Mittel zur Messung eines Leistungsfaktors für jedes von einer Sicherung kontrollierte elektrische Teilnetz bereitgestellt werden, und wobei in einer Umgebung mit

2018/5194

BE2018/5194 mehreren solchen Vorrichtungen jede Vorrichtung im Stande ist, ihre jeweiligen Daten an eine Verwaltungseinheit zu kommunizieren. Das in US 9,134,348 B2 beschriebene Verfahren sieht ein Zeitsynchronisationssignal vor, welches verwendet wird, um ein Driften des Taktes eines Mikrocontrollers der Vorrichtung auszugleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie eine verteilte Messung elektrischer

Energie, umfassend insbesondere das Messen von elektrischen Strömen und/oder elektrischen Spannungen, vereinfacht und/oder verbessert werden kann, wobei die verteilte Messung insbesondere auch dazu geeignet sein soll, Informationen zu Wirk-, Blind- und Scheinleistung eines elektrischen Verbrauchers zu liefern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, wobei die angegebenen Merkmale und Vorteile im Wesentlichen für alle unabhängigen Ansprüche gelten können.

Ein Kerngedanke der Erfindung ist in einer verteilten Leistungs- und Energiemessung zu sehen, bei der zentral die Spannung und ein Gesamtstrom gemessen werden und zusätzlich an verschiedenen stromführenden Leitern mittels Stromsensoren indirekt Teilströme des

Gesamtstroms, die einzelnen Verbrauchern zugeordnet sind, wobei alle Messwerte für eine zentrale Auswertung zusammengeführt werden, und wobei für die zentrale Auswertung keine zeitliche Synchronisation zwischen den beteiligten Messvorrichtungen erforderlich ist.

2018/5194

BE2018/5194

Eine Messvorrichtung zur Strommessung eines stromdurchflossenen Leiters umfasst einen Stromwandler zur Gewinnung elektrischer Energie aus dem Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters, einen Energiespeicher zur Speicherung der mittels des Stromwandlers gewonnenen Energie, eine Messeinrichtung zur Messung einer von der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms abhängigen Messgröße, eine Steuereinheit zum Steuern der Messeinrichtung und zum Erfassen von mittels der Messeinrichtung ermittelten Messwerten, und eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, erfasste Messwerte und/oder aus erfassten Messwerten abgeleitete Werte mittels der Kommunikationsschnittstelle zu der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung zu übertragen, die Steuereinheit durch den Energiespeicher mit Energie versorgt wird, und die Messvorrichtung mit der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung nicht zeitlich synchronisiert ist.

Die Kommunikationsschnittstelle kann vorteilhaft als Funkschnittstelle ausgebildet sein, welche insbesondere einen Transceiver oder Transmitter umfasst. Der Einsatz einer Funkschnittstelle erlaubt einen besonders flexiblen Einsatz der Messvorrichtung. Da die Energie für die Steuereinheit und auch für die Kommunikation mittels Energy Harvesting aus dem Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters gewonnen wird, ist eine möglichst energiesparende Funkschnittstelle bevorzugt. Besonders bevorzugt einsetzbare Funkprotokolle basieren

2018/5194

BE2018/5194 beispielsweise auf Bluetooth Low Energy (BLE) oder auf dem proprietären Funknetzstandard ANT für das 2,4-GHzISM-Band.

Die Steuereinheit ist vorteilhaft dazu ausgebildet, eine Vorverarbeitung erfasster Messwerte durchzuführen und aus den erfassten Messwerten abgeleitete Werte zu ermitteln.

Solche abgeleiteten Werte können beispielsweise Effektivwerte der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms und/oder Fourierkoeffizienten des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms sein, wobei die Fourierkoeffizienten insbesondere in Abhängigkeit eines vorgegebenen Wertes einer Grundfrequenz fo ermittelt werden. Die

Grundfrequenz fo ist typischerweise die Netzfrequenz von

Hz bzw. 60 Hz.

Die Messvorrichtung umfasst vorteilhaft einen A/D-Wandler zur Umwandlung von mit der Messeinrichtung ermittelten analogen Messwerten in digitale Werte. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers ein Vielfaches der Grundfrequenz fo. Dies ist insbesondere bei der Berechnung von

Fourierkoeffizienten vorteilhaft.

Der Wert der Grundfrequenz fo kann in der Messvorrichtung hinterlegt sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Wert der Grundfrequenz von einer zentralen Vorrichtung, insbesondere von der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung, zu empfangen.

2018/5194

BE2018/5194

Aufgrund der eingesetzten Methode des Energy Harvesting ist bei niedrigen Strömen und damit einer geringen Energiegewinnung nicht immer eine kontinuierliche Strommessung möglich. Daher ist die Messvorrichtung vorteilhaft dazu ausgebildet, zyklisch in vorgegebenen Zeitabständen einen Messvorgang durch die Messeinrichtung zu bewirken. Die Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messvorgängen können insbesondere konstant sein oder von der Stromstärke abhängen.

Alternativ kann ein Messvorgang bewirkt werden, sobald im Energiespeicher eine für einen Messvorgang, für eine gegebenenfalls nachfolgende Vorverarbeitung erfasster Messwerte und für eine Übertragung der Messdaten ausreichende Energie bereitsteht. Zur Prüfung, ob eine ausreichende Energie vorliegt, kann beispielsweise durch die Steuereinheit eine Spannung einer von dem beispielsweise als Speicherkondensator ausgebildeten Energiespeicher bereitgestellten Versorgungsspannung gemessen und mit einem gespeicherten Schwellwert verglichen werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Energiespeicher ein auch sehr kleiner Glättungskondensator sein. Gerade bei sehr großen Strömen auf der Primärseite des Stromwandlers stehen große Energiemengen auf der Sekundärseite zur Verfügung. In dem Fall kann sogar eine kontinuierliche Strommessung erfolgen, so dass eine viel größere Abtastrate erfolgen kann. Dieser Glättungskondensator hat dann nur die Aufgabe, den Wechselanteil nach der Gleichrichtung zu glätten, so dass eine saubere Energieversorgung für die Steuereinheit erfolgt.

2018/5194

BE2018/5194

Zweckmäßigerweise kann die Messvorrichtung ferner eine Einrichtung zur Vervielfachung und Gleichrichtung einer vom Stromwandler bereitgestellten Spannung und/oder einer Einrichtung zur Linearregelung und/oder eine Kaltstartschaltung umfassen.

Die Einrichtung zur Vervielfachung und Gleichrichtung dient insbesondere dazu, die Wechselspannung am Stromwandler auf ein höheres Spannungsniveau anzuheben und gleichzurichten. Da dieses Niveau innerhalb eines großen Spannungsbereiches liegen kann, kann vorteilhaft mittels einer Linearregelung eine Spannungsregelung erfolgen, um eine zur Versorgung der Steuereinheit geeignete Spannung zu erhalten, wobei der Energiespeicher, welcher vorzugsweise einer Einrichtung zur Linearregelung nachgeschaltet ist, für eine unterbrechungsfreie Versorgung der Steuereinheit sorgt. Durch eine Kaltstartschaltung kann die Spannungsversorgung der Steuereinheit zusätzlich verbessert werden.

Ein verteiltes Messsystem umfasst eine zentrale Messvorrichtung zur Strom- und/oder Spannungsmessung wenigstens eines mit einer Spannungsquelle verbundenen elektrischen Leiters, wenigstens eine oben beschriebene Messvorrichtung als dezentrale Messvorrichtung, welche einem Verbraucher zugeordnet ist, der über eine mit dem elektrischen Leiter verbundene Anschlussleitung mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die dezentrale Messvorrichtung zur Strommessung der Anschlussleitung des zugeordneten Verbrauchers angeordnet ist, und eine mit

2018/5194

BE2018/5194 der zentralen Messvorrichtung verbundene zentrale Vorrichtung zur Messauswertung, die über eine Kommunikationsverbindung Messdaten von den dezentralen Messvorrichtungen empfangen kann, wobei die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung mit den dezentralen Messvorrichtungen nicht zeitlich synchronisiert ist.

Es sei angemerkt, dass die zentrale Messvorrichtung zur Strom- und/oder Spannungsmessung und die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung vorteilhaft in einer gemeinsamen Vorrichtung integriert sein können.

Besonders vorteilhaft ist in der zentralen Vorrichtung zur Messauswertung ein Zeitwert hinterlegt, welcher die Zeitdauer angibt, welche die dezentrale Messvorrichtung benötigt, um nach Abschluss eines Messvorgangs die durch diesen Messvorgang erfassten Messwerte und/oder die aus den erfassten Messwerten abgeleiteten Werte zu ermitteln und zu übertragen, und wobei die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit dieses hinterlegten Zeitwertes eine Phasendifferenz zwischen einem von der zentralen Messvorrichtung gemessenen Spannungsverlauf und einem Stromverlauf zu ermitteln, wobei der Stromverlauf durch von einer dezentralen Messvorrichtung empfangene Werte wiedergegeben wird.

Durch den hinterlegten Zeitwert, welcher beispielsweise mittels eines einmaligen Kalibriervorgangs ermittelt werden kann, wird besonders vorteilhaft ermöglicht, Phaseninformationen zentral und dezentral ermittelter Messwerte miteinander in Beziehung zu setzen, ohne dass

2018/5194

BE2018/5194 eine zeitliche Synchronisation der zentralen und dezentralen Messvorrichtungen erforderlich wäre.

Mit besonderem Vorteil ist die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung ferner dazu ausgebildet, eine Plausibilitätsprüfung in Abhängigkeit von Messwerten der zentralen Messvorrichtung und Messwerten, die von dezentralen Messvorrichtungen empfangen werden, durchzuführen.

Die Plausibilitätsprüfung kann beispielsweise eine Prüfung vorsehen, ob ein mittels der zentralen

Messvorrichtung gemessener Gesamtstrom eines Leiters mit der Summe von Teilströmen übereinstimmt, die mittels dezentraler Messvorrichtungen an den jeweiligen, an den Leiter angeschlossenen Verbrauchern gemessen werden. Auch für eine solche Plausibilitätsprüfung ist es vorteilhaft, wenn die Phaseninformationen zentral und dezentral ermittelter Messwerte miteinander in Beziehung gesetzt werden können.

Für ein Verfahren zur verteilten Messung elektrischer Messgrößen wird insbesondere das oben beschriebenen Messsystem eingesetzt, wobei das Verfahren vorsieht, den Strom und/oder die Spannung wenigstens eines mit einer Spannungsquelle verbundenen elektrischen Leiters durch die zentrale Messvorrichtung zu messen, den Strom wenigstens einer mit dem elektrischen Leiter verbundenen Anschlussleitung, über die ein Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt wird, durch die dem Verbraucher zugeordnete dezentrale Messvorrichtung zu messen, Messdaten von der dezentralen Messvorrichtung zu

2018/5194

BE2018/5194 der zentralen Vorrichtung zur Messauswertung zu übertragen, und die durch die zentrale Messvorrichtung gemessenen Messwerte und die von den dezentralen Messvorrichtungen empfangenen Messdaten durch die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung auszuwerten.

Das Auswerten umfasst vorteilhaft ein Ermitteln einer

Phasendifferenz zwischen einem von der zentralen Messvorrichtung gemessenen Spannungsverlauf und einem Stromverlauf, wobei der Stromverlauf durch von einer dezentralen Messvorrichtung empfangene Werte wiedergegeben wird, und wobei das Ermitteln der Phasendifferenz in Abhängigkeit eines in der zentralen Vorrichtung zur Messauswertung hinterlegten Zeitwertes erfolgt, welcher die Zeitdauer angibt, welche die dezentrale Messvorrichtung benötigt, um nach Abschluss eines Messvorgangs die durch diesen Messvorgang erfassten Messwerte und/oder die aus den erfassten Messwerten abgeleiteten Werte zu übertragen.

Ferner umfasst das Auswerten bevorzugt das Durchführen einer Plausibilitätsprüfung in Abhängigkeit von Messwerten der zentralen Messvorrichtung und von dezentralen Messvorrichtungen empfangenen Messwerten.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den

Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen dabei

2018/5194

BE2018/5194

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen verteilten Messsystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Strommessung eines stromdurchflossenen Leiters,

Fig. 3 schematisch einen beispielhaften von der in Fig.

dargestellten Messvorrichtung ausgeführten zyklischen Ablauf,

Fig. 4 schematisch einen beispielhaften Ablauf einer Strommessung,

Fig. 5 schematisch einen beispielhaften Aufbau eines von der in Fig. 2 dargestellten Messvorrichtung gesendeten Datenpakets, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung von Strom- und Spannungsverläufen zur Veranschaulichung der Bestimmung eines Phasenversatzes.

Eine Grundidee der Erfindung ist es, eine verteilte

Leistungs- und Energiemessung zu realisieren, indem zentral die Spannung und/oder der Strom gemessen wird und zusätzlich an verschiedenen stromführenden Leitern mittels Stromsensoren indirekt der Strom. Die als Stromsensoren ausgebildeten Messvorrichtungen werden vorteilhaft mittels Energy Harvesting aus dem Magnetfeld des Leiters versorgt.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen verteilten Messsystems 100 schematisch skizziert. An einem 3-Phasen Netz 110 sind verschiedene Verbraucher Zl, Z2, Z3, Z4 und Z5 an Leiter LI, L2 bzw.

2018/5194

BE2018/5194

L3 angeschlossen, die jeweils verschiedene Phasen des 3-Phasen-Netzes 110 führen. Die Verbraucher Zl, Z2, Z3, Z4 und Z5 können dabei jeweils entweder physikalisch einzelne Verbraucher, z.B. eine Maschine, darstellen oder auch symbolisch für mehrere Verbraucher eines gesamten Verbraucher-Strangs stehen. So kann Zl z.B. repräsentativ für alle Verbraucher eines gesamten Raums stehen. Der Sensor 301 würde dann den Gesamtstrom messen, der in alle Verbraucher des Raums fließt. Eine als zentrales Energiemessgerät 200 ausgebildete zentrale Messvorrichtung zur Strom- und/oder Spannungsmessung misst die Spannungen der drei Leiter LI, L2, L3, jeweils relativ zum Potential des Nullleiters N, wobei zu diesem Zweck entsprechende Messleitungen 240, 250, 260 und 270 vorgesehen sind, über die das Energiemessgerät 200 zur Spannungsmessung mit den Leitern LI, L2, L3 und N verbunden ist. Die gemessenen Spannungen sind zur Veranschaulichung als VIN, V2N und V3N schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das zentrale Energiemessgerät 200 misst ferner die Stromstärke der drei in den Leitern LI, L2 und L3 jeweils fließenden Ströme II, 12 und 13 über mit dem Energiemessgerät 200 verbundene Stromwandler 210, 220 und 230.

Somit kann die gesamte Leistung des Systems bzw. alle für die Leistung relevanten Größen berechnet werden, d.h. insbesondere Spannungen, Ströme, Energieflüsse, Leistungen und Phaseninformationen. Was typischerweise allerdings nicht bekannt ist, sind die Energieflüsse in die einzelnen Verbraucher Zl bis Z5, da nur die Gesamtströme gemessen werden. Durch die erfindungsgemäße verteilte Energiemessung können nun die Leistungen und

2018/5194

BE2018/5194

Energien an den einzelnen Verbrauchern ermittelt werden. Dies wird wie folgt realisiert.

Zusätzliche als Stromsensoren ausgebildete dezentrale Messvorrichtungen 301, 302 und 303 zur Strommessung eines stromdurchflossenen Leiters messen einzelne Teilströme

IZ1, IZ2, IZ3 des Systems und kommunizieren diese z.B. über eine Funkverbindung an das Energiemessgerät 200, das gleichzeitig auch als Basisstation fungieren kann. Zu diesem Zweck umfasst das Energiemessgerät 200 eine entsprechende Funkschnittstelle 201. Die Funkverbindungen sind symbolisch als gestrichelte Doppelpfeile dargestellt.

In der Basisstation, oder alternativ oder zusätzlich auch in einer übergeordneten Steuerungseinheit wie z.B. einer Cloud, können dann alle Informationen zusammengesetzt werden, und wenn genügend Sensoren an den richtigen Stellen installiert sind, alle Energieflüsse hinreichend genau berechnet werden.

So gilt etwa II = IZ1 + IZ2. Da alle drei Ströme gemessen werden, kann hier eine Plausibilitätsprüfung der

Messwerte erfolgen. Die einzelnen Stromsensoren 301-303 müssen nicht ständig und auch nicht allzu genau messen, da der Gesamtstrom, der an der Basisstation 200 gemessen wird, in der Regel eine hohe Genauigkeit aufweist. Es ist daher häufig ausreichend, wenn die einzelnen

Stromsensoren 301-303 wichtige Zusatzinformationen liefern, nicht aber die höchste Genauigkeitsanforderung haben. Vorteilhaft ist aber dennoch, eine Information über die Phase des gemessenen Stromes zu extrahieren, da

2018/5194

BE2018/5194 dann auch zwischen Blind- und Wirkleistung im entsprechenden Verbraucher unterschieden werden kann.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist für den Verbraucher Z4 kein Stromsensor vorgesehen. IZ4 kann aber aus der Differenz von 12 und IZ3 berechnet werden. Auch für den Verbraucher Z5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel kein Stromsensor vorgesehen, da dieser der einzige an L3 angeschlossene Verbraucher ist.

Im Folgenden wird näher auf die als Stromsensor ausgebildete Messvorrichtung eingegangen.

In Fig. 2 ist schematisch ein grobes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer auch als Stromsensor bezeichneten erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Strommessung eines stromdurchflossenen Leiters dargestellt, wobei insbesondere die in Fig. 1 dargestellten Stromsensoren 301, 302 und 303 vorteilhaft jeweils den in Fig. 2 dargestellten Aufbau aufweisen.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines Stromsensors umfasst einen Stromwandler 310, der um einen stromdurchflossenen Leiter angebracht wird, insbesondere um eine Anschlussleitung eines Verbrauchers, wie dies schematisch in Fig. 1 zu sehen ist. Es ist anzumerken, dass die in Fig. 1 gezeigten Verbraucher Zl bis Z5 nur schematisch dargestellt sind und beispielsweise jeweils auch ein mehrere Einzelverbraucher umfassendes Teilnetz umfassen können.

2018/5194

BE2018/5194

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Stromsensor ferner eine Einrichtung 320 zur Spannungsvervielfachung und -Gleichrichtung, eine Linearregelung 330, einen Energiespeicher 340, eine Kaltstartschaltung 350, eine als Mikrocontroller mit Funk-Transceiver ausgebildete Steuereinheit 360 und eine Strommessschaltung 370.

Der Stromwandler 310 stellt die Energie für das Energy Harvesting zur Verfügung und dient gleichzeitig als Signalquelle für die Strommessung. Eine zeitgleiche Kombination von Energy Harvesting und Strommessung ist in der Regel nicht bzw. nur bei größerem Strom möglich. Die Messung erfolgt somit typischerweise nur in Intervallen. Beim Energy Harvesting wird die Wechselspannung am Stromwandler 310 zunächst durch die VervielfacherSchaltung 320 auf ein zu nutzendes Spannungsniveau angehoben und dabei gleichgerichtet.

Da dieses Niveau einen sehr großen Spannungsbereich haben kann, wird anschließend vorteilhaft eine zum Beispiel als Linearregelung ausgebildete Spannungsregelung 330 eingesetzt, um einen angeschlossenen Mikrocontroller innerhalb seiner Spezifikationen betreiben zu können. Der Energiespeicher 340 sorgt für eine unterbrechungsfreie Versorgung des Mikrocontrollers der Steuereinheit 360, auch wenn durch den stattfindenden Messvorgang das Energy Harvesting ausgesetzt wird.

Durch die Kaltstartschaltung 350 erfährt der Mikrocontroller immer eine sauber definierte Spannungsversorgung. Ein unsauberer Start desselben

2018/5194

BE2018/5194 könnte dazu führen, dass sehr viel Strom aus dem Energiespeicher 340 bezogen wird, und somit der Controller nie zu arbeiten beginnt, da die spezifizierte Versorgungsspannung nie erreicht wird.

Der Mikrocontroller selbst misst in definierten Abständen den Strom vom Stromwandler 310, verarbeitet die erhaltenen Daten und übergibt die Ergebnisse an den Transceiver, der diese Daten an die Basisstation 200 versendet. Der Mikrocontroller und der Transceiver können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.

Die Strommessschaltung 370 umfasst bevorzugt einen ShuntWiderstand, über den der Strom des Stromwandlers 310 während des Messvorgangs geleitet wird und somit über die Spannung am Shunt-Widerstandes auf den Strom durch den Stromwandler 310 geschlossen werden kann. Über das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers 310 kann somit der zu messende Primärstrom berechnet werden.

Im Gegensatz zu Stromsensoren, die eine separate Hilfsenergieversorgung besitzen, kann ein Stromsensor mit Energy Harvesting in der Regel nicht kontinuierlich den Strom messen, sondern immer nur in bestimmten

Zeitintervallen, wenn genügend Energie eingesammelt worden ist. Es kann somit längere Phasen geben, in denen kein Strom gemessen werden kann. Ein Stromsensor auf Basis von Energy Harvesting erfüllt daher in der Regel nicht die höchsten Genauigkeitsanforderungen.

2018/5194

BE2018/5194

Ein beispielhafter Ablauf des Programms im Mikrocontroller der Steuereinheit 360 ist in Fig. 3 dargestellt.

Nach dem Start in Schritt 410 und Initialisierungen in Schritt 420 verbringt der Mikrocontroller in Schritt 430 eine feste Zeit im Schlafmodus, um anschließend in Schritt 440 die Versorgungsspannung zu messen, wobei die Versorgungsspannung beispielsweise von dem als Speicherkondensator ausgebildeten Energiespeicher bereitgestellt wird, gegebenenfalls über die Kaltstartschaltung. In Schritt 450 wird geprüft, ob die Versorgungsspannung einen Schwellwert überschritten hat. Ist dies der Fall, so kommt es zur eigentlichen Strommessung in Schritt 460, ansonsten wird wieder die Zeit bis zum nächsten Messzyklus abgewartet, da die gesammelte Energie in diesem Fall nicht für einen kompletten Messablauf ausreicht, d.h. der Ablauf wird mit Schritt 430 fortgesetzt. Nach der Strommessung in Schritt 460 werden in Schritt 470 die Messwerte oder daraus mittels einer Vorverarbeitung durch die Steuereinheit 360 abgeleiteter Werte mittels des Transceivers zu dem zentralen Energiemessgerät 200 übertragen, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel auch als zentrale Vorrichtung zur Messauswertung dient.

Ein genauerer Ablauf der Strommessung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.

Nach dem Start der Strommessung in Schritt 510 wird der Stromwandler 310 in Schritt 520 zunächst über den Shunt kurzgeschlossen, mittels des in Fig. 2 dargestellten

2018/5194

BE2018/5194

Schalters 380. Anschließend wird in Schritt 530 eine vorgegebene Zeitdauer abgewartet, bis eventuelle Einschwingvorgänge abgeklungen sind. Diese Zeitdauer beträgt vorteilhaft weniger als eine Sekunde und kann beispielsweise etwa 300ms betragen. Alternativ dazu kann der Schalter 380 auch zeitlich synchronisiert geschaltet werden, so dass ein Einschwingvorgang minimiert wird und weniger Zeit gewartet werden muss. So kann es z.B. sinnvoll sein, den Schalter immer nur synchronisiert in Nulldurchgängen des Stroms zu schalten. Es erfolgt dann in Schritt 540 die Abtastung des Spannungsverlaufs über den Shunt, um direkt danach in Schritt 550 den Kurzschluss wieder aufzuheben.

Wenn mehrere Messzyklen für die Berechnung eines Wertes zugrunde gelegt werden sollen, startet die Messung nach einer festgelegten Zeit wieder von vorne. Zu diesem Zweck wird in Schritt 560 geprüft, ob der letzte der Messzyklen erfolgt ist. Solange dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 565 die festgelegte Zeit gewartet und dann in Schritt 520 der nächste Messzyklus gestartet.

Nach dem letzten Messzyklus findet in Schritt 570 die Berechnung der gewünschten Größen bzw. Werte statt. So kann aus den Messdaten z.B. das Quadrat des Effektivwertes wie folgt berechnet werden:

i_n sind die einzelnen der insgesamt N Abtastwerte.

2018/5194

BE2018/5194

Weiterhin können die Fourierkoeffizienten a± und bi der

Grundfrequenz fo, typischerweise

50Hz oder 60Hz, wie folgt berechnet werden:

Dabei bezeichnet t_n die Zeit des

Um Rechenzeit zu sparen, können n-ten AbtastZeitpunktes.

die sin- und cos-Werte vorab berechnet und tabellarisch abgespeichert werden.

Wenn z.B. die k-te Oberwelle betrachtet werden soll, können ebenfalls die entsprechenden Fourierkoeffizienten

0t j “TZ n,=0 bestimmt werden.

Durch die Fourierkoeffizienten kann später gemäß folgender Gleichung auf die Phasenlage des abgetasteten

Stromsignals geschlossen werden:

Φί “ tan ·····

I ί

Die vorgeschlagenen Werte stellen nur ein Beispiel mittels einer Datensendung übertragbarer Werte dar. Es können alternativ auch direkt einzelne Abtastwerte übertragen werden. Die beschriebene Berechnung hat allerdings den Vorteil, dass weniger Daten übertragen werden müssen, da eine gewisse Datenvorverarbeitung schon in dem Mikrocontroller der Steuereinheit 360 stattfindet.

2018/5194

BE2018/5194

Wie an den Berechnungsgleichungen erkennbar ist, ist es für die Berechnung der Fourierkoeffizienten erforderlich, die Grundfrequenz fo zu kennen. Hierfür können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Entweder kann der Wert fest eingestellt werden, beispielsweise mittels einer Werkskalibrierung, oder der Wert kann zyklisch von einer zentralen Vorrichtung, insbesondere von der als Basisstation ausgebildeten zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung 200, z.B. per Broadcast, an den jeweiligen Stromsensor gesendet werden. Hierdurch kann z.B. die Messgenauigkeit erhöht werden, wenn ein in dem Stromsensor vorgesehener A/D-Wandler auf die Frequenz synchronisiert wird, d.h. eine Abtastfrequenz aufweist, welche ein Vielfaches der Grundfrequenz beträgt. Dann brauchen tabellierte Werte für die Fourierkoeffizienten nicht angepasst zu werden. Sollte die tatsächliche Frequenz nicht mit der eingestellten Frequenz fo übereinstimmen, können Fehler dennoch später in der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung 200 rechnerisch in bestimmten Grenzen korrigiert werden.

Es ist somit anzumerken, dass die Erfindung sehr flexibel ausgestaltet werden kann in Bezug darauf, welche Daten übertragen werden, ob die Abtastwerte direkt übertragen werden, oder ob eine Signalvorverarbeitung stattfindet, und falls ja, wie viele Oberwellen beispielsweise tatsächlich berechnet werden.

Nach der Messung und optionaler Datenvorverarbeitung wird die Datensendung über den Transceiver oder Transmitter vorgenommen. Hierfür kann das Datenpaket optional in

2018/5194

BE2018/5194

Schritt 580 um eine Sequenznummer ergänzt werden, so dass Paketverluste zuverlässig erkannt werden können.

Ein beispielhaftes Datenpaket mit dem Quadrat des Effektivwertes 610, zwei Fourierkoeffizienten 620 und 630 und der Sequenznummer 640 ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.

Das zentrale Energiemessgerät 200, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig die zentrale Vorrichtung zur Messwertauswertung bildet, und welches das Datenpaket wie in Fig. 1 skizziert empfängt, führt parallel eine kontinuierliche Spannungsmessung der jeweiligen Phase des 3-Phasen-Netzes durch.

Um die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom zu evaluieren, benötigt man den zeitlichen Versatz zwischen den Strom- und Spannungswerten.

Fig. 6 verdeutlicht das entsprechende Verfahren anschaulich.

Der in Fig. 6 dargestellte obere Kurvenverlauf 710 stellt den tatsächlichen Strom im Stromleiter dar, der vom Stromsensor nur zu gewissen Zeiten abgetastet wird, wobei die entsprechenden Messwerte als Punkte 720 im

Stromverlauf dargestellt sind. Die Messwerte können beispielsweise mit einem der in Fig. 1 dargestellten Stromsensoren 301, 302 oder 303 ermittelt worden sein. Der Stromverlauf 710 ist hier sinusförmig dargestellt, kann in der Realität aber auch andere Kurvenverläufe, z.B. mit Oberwellen und Rauschanteilen, haben.

2018/5194

BE2018/5194

Man geht nun davon aus, dass die zeitliche Verzögerung ΔΤ vom Abschluss der Strommessung bis zum Senden der Daten immer mehr oder weniger konstant ist. Des Weiteren kann die vereinfachende Annahme gemacht werden, dass der Sendezeitpunkt beim Stromsensor 301, 302 bzw. 303 gleichzeitig der Empfangszeitpunkt bei der Basisstation 200 ist. Dies ist natürlich nicht exakt der Fall, z.B. gibt es eine leichte Verzögerung aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit, aber in erster Näherung kann diese Verzögerung vernachlässigt werden. Wenn die Verzögerung ΔΤ nun der Basisstation 200 bekannt ist, insbesondere zum Beispiel in einem Kalibrierprozess einmalig bestimmt und fest abgespeichert wird, kann von der Basisstation 200 auf den Zeitpunkt der Strommessung zurückgeschlossen werden.

Somit ist es möglich, auf die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom zurückzuschließen, obwohl eine verteilte Messung zwischen mehreren Teilnehmern stattgefunden hat, und zwar eine Spannungsmessung an der Basisstation 200 und die Strommessung in dem entfernt liegenden Stromsensor. Der zeitliche Verlauf einer an der Basisstation 200 gemessenen Spannung ist in Fig. 6 als unterer Kurvenverlauf 730 dargestellt.

Da die Verzögerung ΔΤ nie exakt konstant ist, ist folglich auch die Phasenverschiebung mit einem variablen Fehler behaftet, was in einer Verteilung der geschätzten Phasenverschiebung um den realen Wert resultiert. Je genauer die Zeitverzögerung ΔΤ bekannt ist, desto schmaler wird die Verteilung werden.

Claims (13)

1. Patentansprüche

   1. Messvorrichtung (301, 302, 303) zur Strommessung eines stromdurchflossenen Leiters, umfassend

   - einen Stromwandler (310) zur Gewinnung elektrischer Energie aus dem Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters,

   - einen Energiespeicher (340) zur Speicherung der mittels des Stromwandlers (310) gewonnenen Energie,

   - eine Messeinrichtung (370) zur Messung einer von der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms abhängigen Messgröße,

   - eine Steuereinheit (360) zum Steuern der Messeinrichtung und zum Erfassen von mittels der Messeinrichtung (370) ermittelten Messwerten,

   - eine Kommunikationsschnittstelle (360) zur Kommunikation mit einer zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200), wobei

   - die Steuereinheit (360) dazu ausgebildet ist, erfasste Messwerte und/oder aus erfassten Messwerten abgeleitete Werte mittels der Kommunikationsschnittstelle zu der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200) zu übertragen,

   - die Steuereinheit (360) durch den Energiespeicher (340) mit Energie versorgt wird, und

   - die Messvorrichtung (301, 302, 303) mit der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200) nicht zeitlich synchronisiert ist.
2. 2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationsschnittstelle als Funkschnittstelle

   2018/5194

   BE2018/5194 ausgebildet ist, welche insbesondere einen Transceiver oder einen Transmitter umfasst.
3. 3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (360) dazu ausgebildet ist, aus erfassten Messwerten Effektivwerte (610) der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms und/oder

   Fourierkoeffizienten (620, 630) des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Leiter fließenden Stroms in Abhängigkeit eines vorgegebenen Wertes einer

   Grundfrequenz fo zu ermitteln.
4. 4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, umfassend einen A/D-Wandler zur Umwandlung von mit der Messeinrichtung (370) ermittelten analogen Messwerten in digitale Werte, wobei die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers ein Vielfaches der Grundfrequenz fo ist.
5. 5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dazu ausgebildet, den Wert der Grundfrequenz von einer zentralen Vorrichtung, insbesondere von der zentralen Vorrichtung zur Messwertauswertung (200), zu empfangen.
6. 6. Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (360) dazu ausgebildet ist, zyklisch in vorgegebenen Zeitabständen einen Messvorgang durch die Messeinrichtung (370) zu bewirken.
7. 7. Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung (320) zur Vervielfachung und Gleichrichtung einer vom Stromwandler (310) bereitgestellten Spannung und/oder einer

   2018/5194

   BE2018/5194

   Einrichtung (330) zur Linearregelung und/oder eine Kaltstartschaltung (350).
8. 8. Verteiltes Messsystem (100), umfassend

   - eine zentrale Messvorrichtung (200, 210-270) zur Stromund/oder Spannungsmessung wenigstens eines mit einer Spannungsquelle verbundenen elektrischen Leiters (LI, L2, L3) ,

   - wenigstens eine dezentrale Messvorrichtung (301, 302, 303) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche einem Verbraucher (ZI, Z2, Z3) zugeordnet ist, der über eine mit dem elektrischen Leiter (LI, L2, L3) verbundene Anschlussleitung mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die dezentrale Messvorrichtung (301, 302, 303) zur Strommessung der Anschlussleitung des zugeordneten Verbrauchers (ZI, Z2, Z3) angeordnet ist, und

   - eine mit der zentralen Messvorrichtung (200, 210-270) verbundene zentrale Vorrichtung zur Messauswertung (200), die über eine Kommunikationsverbindung Messdaten von den dezentralen Messvorrichtungen (301, 302, 303) empfangen kann, wobei die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung (200) mit den dezentralen Messvorrichtungen (301, 302, 303) nicht zeitlich synchronisiert ist.
9. 9. Messsystem nach Anspruch 8, wobei

   - in der zentralen Vorrichtung zur Messauswertung (200) ein Zeitwert hinterlegt ist, welcher die Zeitdauer angibt, welche die dezentrale Messvorrichtung (301, 302, 303) benötigt, um nach Abschluss eines Messvorgangs die durch diesen Messvorgang erfassten Messwerte und/oder die aus den erfassten Messwerten abgeleiteten Werte zu übertragen, und wobei

   2018/5194

   BE2018/5194

   - die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung (200) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des hinterlegten

   Zeitwertes eine Phasendifferenz zwischen einem von der zentralen Messvorrichtung (200, 210-270) gemessenen Spannungsverlauf und einem Stromverlauf zu ermitteln, wobei der Stromverlauf durch von einer dezentralen Messvorrichtung (301, 302, 303) empfangene Werte wiedergegeben wird.
10. 10. Messsystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung (200) dazu ausgebildet ist, eine Plausibilitätsprüfung in

    Abhängigkeit von Messwerten der zentralen Messvorrichtung (200, 210-270) und Messwerten, die von dezentralen Messvorrichtungen (301, 302, 303) empfangen werden, durchzuführen.
11. 11. Verfahren zur verteilten Messung elektrischer Messgrößen mit einem System (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, mit den Schritten:

    - Messen des Stroms und/oder der Spannung wenigstens eines mit einer Spannungsquelle verbundenen elektrischen Leiters (LI, L2, L3) durch die zentrale Messvorrichtung (200, 210-270),

    - Strommessung wenigstens einer mit dem elektrischen Leiter verbundenen Anschlussleitung, über die ein Verbraucher (ZI, Z2, Z3) mit elektrischer Energie versorgt wird, durch die dem Verbraucher zugeordnete dezentrale Messvorrichtung (301, 302, 303),

    - Übertragen von Messdaten von der dezentralen Messvorrichtung (301, 302, 303) zu der zentralen

    Vorrichtung zur Messauswertung (200), und

    2018/5194

    BE2018/5194

    - Auswerten der durch die zentrale Messvorrichtung (200, 210-270) gemessenen Messwerte und der von den dezentralen Messvorrichtungen (301, 302, 303) empfangenen Messdaten durch die zentrale Vorrichtung zur Messauswertung (200) .
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Auswerten ein Ermitteln einer Phasendifferenz zwischen einem von der zentralen Messvorrichtung (200, 210-270) gemessenen Spannungsverlauf und einem Stromverlauf umfasst, wobei der Stromverlauf durch von einer dezentralen Messvorrichtung (301 ,302, 303) empfangene Werte wiedergegeben wird, und wobei das Ermitteln der Phasendifferenz in Abhängigkeit eines in der zentralen Vorrichtung zur Messauswertung (200) hinterlegten Zeitwertes erfolgt, welcher die Zeitdauer angibt, welche die dezentrale Messvorrichtung (301, 302, 303) benötigt, um nach Abschluss eines Messvorgangs die durch diesen Messvorgang erfassten Messwerte und/oder die aus den erfassten Messwerten abgeleiteten Werte zu übertragen.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Auswerten das Durchführen einer Plausibilitätsprüfung in Abhängigkeit von Messwerten der zentralen Messvorrichtung (200, 210-270) und von dezentralen Messvorrichtungen (301 ,302, 303) empfangenen Messwerten umfasst.