DE10006443A1

DE10006443A1 - Verfahren zur Messung der Impedanz in Stromnetzen und Vorrichtung zur selbsttätigen Netzfreischaltung nach diesem Verfahren

Info

Publication number: DE10006443A1
Application number: DE2000106443
Authority: DE
Inventors: Klaus-Wilhelm Koeln; Axel Grabitz
Original assignee: KOELN KLAUS WILHELM
Current assignee: KOELN KLAUS WILHELM
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: DE10006443B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Impedanzmessung in Stromnetzen und einer darauf basierenden Anwendung, nämlich die Verhinderung von unkontrollierter Inselnetzbildung durch Überwachung der Netzimpedanz. DOLLAR A Es werden elektrische Größen ermittelt und ausgewertet. Im Stromnetz wird eine Reihe von Strompulsen erzeugt. Die durch diese Pulse im Netz verursachten Spannungsänderungen werden erfasst. Durch Mittelwertbildung werden Störgrößen unterdrückt. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren werden netzfrequente Signale und deren Oberwellen vermieden. Durch Verwendung von verschiedenen Frequenzen und/oder Frequenzfolgen kann eine gegenseitige Beeinflussung von parallel geschalteten Geräten verhindert werden und eine durch Frequenzabhängigkeit von Netzimpedanz und Filtern bedingte Fehlmessung rechnerisch korrigiert werden. Zur Verhinderung von unkontrollierter Inselnetzbildung wird bei einer sprunghaften Erhöhung der Netzimpedanz das Teilnetz mit der einspeisenden Anlage vom Netz getrennt.

Description

Stand der Technik

Die Messung der Impedanz in Stromnetzen wird unter anderem dazu benutzt, um beim Betrieb von dezentralen Erzeugungsanlagen eine ungewollte Inselbildung (Islanding) in einem Teilnetz zu erkennen und die Erzeugungsanlage abzuschalten oder vom Netz zu trennen.

Es sind eine Reihe von Meßverfahren bekannt, die zu diesem Zweck benutzt werden. In der Regel werden zur Messung der Impedanz Strompulse erzeugt, die eine Veränderung der Netzspannung bewirken. Aus der Differenz der Spannungen mit und ohne Strompuls wird die Impedanz errechnet.

Die Strompulse können durch zu- oder Abschalten von Lasten, oder auch durch Veränderung der Einspeiseleistung eines Erzeugers generiert werden. Bei Wechselstromnetzen können auch Blindstrompulse erzeugt werden und neben der Spannungsänderung kann auch die durch den Blindstrom verursachte Phasenverschiebung zur Ermittlung der Netzimpedanz verwendet werden. (siehe auch Pat. NR. DE 195 04 271)

Um störende Netzrückwirkungenzu vermeiden, sind die Strompulse oft als Halb- oder Vollwellenpulse der Netzfrequenz ausgeführt. Es gibt auch Geräte, die kürzere netzsynchrone, Pulse (wenige Millisekunden) benutzen.

Die Anwendbarkeit solcher Geräte wirde in besonderen Fällen eingeschränkt:

1. An Netzpunkten, die stark mit Störungen belastet sind, (z. B. hoher Pegel von Rundsteuersignalen, Oberwellen von Umrichtern, starke Verbraucher mit elektronischer Leistungsregelung) kommt es durch Rückwirkungen auf die Impedanzmessung zu unerwünschten Fehlauslösungen von automatischen Netztrennvorrichtungen, wenn die Messungen dadurch gestört werden.
2. Beim Betrieb mehrerer Geräte mit Impedanzmessung an einem Netzpunkt kann es zu gegenseitiger Beinflussung kommen, da die Pulse netzsynchron sind. (Überlagerung von Meßpulsen führt zu Fehlmessungen.) Es gibt zwar die Möglichkeit bei meherern Geräten die Pulse auf verschiedene Zeitpunkte zu verteilen um die gegenseitige Beeinflussung zu verringern, der Nachteil ist aber, daß dadurch die mögliche Anzahl von Messungen in einer vorgegebenen Zeit verringert wird. (Geringere Mittelwertbildung und damit Störunterdrückung.)

Kritik

An die Netzfreischalteinrichtungen wird in der Regel die Forderung gestellt, einen unsicheren Zustand (sprunghafte Erhöhung der Netzimpedanz durch unkontrollierte Inselbildung) innerhalb weniger Sekunden mit Sicherheit zu erkennen und eine Abschaltung auszulösen. Wenn der an einem Netzpunkt vorkommede Störpegel (bezogen auf das jeweilige Meßverfahren) wesentlich größer als das Prüfsignal ist, und der Anzahl der möglichen Messungen Grenzen gesetzt sind, ist es je nach Höhe des Störpegels und Anzahl der möglichen Messungen nicht meht möglich, das Prüfsignal von den Störungen zu differenzieren. Abhilfe würde einerseits eine Erhöhung des Prüfstromes schaffen, dadurch steigen aber unter Umständen die von dem Gerät durch die Prüfpulse verursachten Netzrückwirkungen auf ein unerwünschtes Maß an. Auch der höhere Energieverbrauch und Notwendigkeit von aufwendigere Bauteilen sind dabei von Nachteil.

Der andere Lösungsansatz liegt darin, möglichst viel Messungen in der vorgegebenen Zeit durchzuführen und den Störeinfluß durch Mittelwertbildung abzuschwächen. Bei der Verwendung sehr häufiger netzsynchroner Pulse kommt es aber zu starker gegenseitiger Beeinflussung, wenn mehrere Geräte an einem Netzpunkt betrieben werden.

Im Folgenden wird ein Meßverfahren beschrieben, das nicht mit diesen Nachteilen behaftet ist:

Im Unterschied zu den bekannten Verfahren werden keine netzsynchronen Pulse verwendet, sondern eine schnelle Folge von Pulsen, die nicht netzsynchron sind und auch kein Vielfaches der Netzfrequenz darstellen. Um Störeinflüsse und Fehlmessungen durch Resonanzen zu verringern, ist es vorteilhaft, keine feste Frequenz sondern ein ganzes Frequenzspektrum zu verwenden. Dadurch werden auch Netzrückwirkungen verringert. Um gegenseitige Beeinflussung von Geräten zu verhindern, kann anstelle einer festen Frequenzfolge eine Folge verwendet werden, die durch eine Zufallsfunktion erzeugt wird. Das klingt vielleicht zunächst sehr aufwendig, bei der Impedanzmessung sind diese Möglichkeiten aber einfach zu realisieren, da Aussendung und Empfang der Meßpulse durch den gleichen Microprozessor gesteuert werden können.

Es ergeben sich folgende Vorteile:

Da die Messunge nicht mehr netzsynchron durchgeführt werden, kann in einer vorgegebenen Zeit eine sehr große Anzahl von Messungen erfolgen (begrenzt nur durch die Leistungsfähigkeit des Microcontrollers). Somit kann duch starke Mittelwertbildung die Genauigkeit erhöht und Störeinflösse unterdrückt werden. (ähnlich wie bei einem digitalen Filter, nur daß hier nicht mit einer festen Frequenz gearbeitet werden muß).

Wenn das Prüfsignal nach dem Zufallsprinzip erzeugt wird, ist eine gegenseitige Beeinflussung praktisch auszuschließen, da kein Synchronlauf von benachbarten Geräten mehr vorkommt.

Da das Prüfsignal keine Netzharmonischen oder sonstige stehende Frequenzen enthält, sind störende Rückwirkungen im Netz minimal.

Das Verfahren ist völlig unabhängig von der Betriebsfrequenz und daher ohne Anpassung in Netzen mit unterschiedlicher oder schwankender Frequenz einsetzbar. Es kann daher auch in Gleichspannungsnetzen eingesetzt werden.

Ein Nachteil bei der Impedanzmessung mit Prüfpulsen, die eine höhere Frequenz haben als die Betriebsfrequenz des Netzes, ist die Tatsache, daß durch frequenzabhängige Impedanzanteile (in der Regel Induktivität eines Netzes) eine Verfälschung der Messung vorkommen kann. Wenn bei dem beschriebenen Verfahren aber mit einerseits konstanter Amplitude der Prüfpulse und andererseits mit unterschiedlichen Frequenzen gearbeitet wird, lassen sich diese Fehler leicht rechnerisch im Programm des Microprozessors korrigieren.

Technische Realisierung

Der Grundsätzliche Aufbau eines Gerätes nach dem beschriebenen Verfahren enthält folgend Saugruppen Microprozzessor, Impulsgenerator, Hochpass-Filter

Der Impulsgenerator ist so aufgebaut, daß gesteuert vom Microprozessor eine schnelle Folge von Pulsen in das Stromnetz eingekoppelt werden kann.

Ein möglicher Aufbau besteht z. B. aus einer bidirektionalen Konstantstromquelle und zwei von dem Microprozessor steuerbaren elektronischen Schaltern, so daß ein vom Betrag her konstanter Strom in schneller Folge in seiner Flußrichtung gewechselt werden und über einen geeignetem Kondensator in das Stromnetz eingekoppelt werden kann. Eine solche Schaltung liefert Meßpulse von konstanter Amplitude, was die Auswertung erleichtert.

Für die Erfassung der Signale wird der Netzpunkt über ein Hochpass- oder Bandpass- Filter und einen geeigneten Spannungsteiler an einen AD-Wandler-Eingang des Microprozessors gelegt. Der Meßbereich kann so eingestellt werden, daß das eigenliche Nutzsignal nur einen kleinen Teil des Gesamtmeßbereichs des AD- Wandlers benötigt. Durch Differenz- und Mittelwertbildung können dann Störanteile unterdrückt und eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Impedanz in Stromnetzen mit folgenden Merkmalen: Von einem Mircroprozessor gesteuert werden Strompulse im Netz erzeugt und die Spannungserhöhung, die durch diese Pulse verursacht wird, gemessen. Durch den unmittelbaren Zusammenhang von Pulserzeugung und Messung kann 1. bei einer genügend hohen Zahl von Pulsen und Differenzmessungen das Signal von Störgrößen getrennt werden. (28. Durch Mittelwertbildung) und 2. anstelle einer einzigen und festen Frequenz oder Pulsbreite ein ganzes Spektrum verschiedener Frequenzen und Pulsbreiten genutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Frequenz für die Pulserzeugung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spektrum verschiedener Frequenzen in einer bestimmten Reihenfolge benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verteilung und Reihenfolge der benutzte Frequenzen nach dem Zufallsprinzip erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verteilung und Reihenfolge der Frequenzen nach einem Zufallsprinzip ständig geändert werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Prüfpulse von weitgehend gleicher Amplitude bei verschiedenen Frequenzen erzeugt werden.

7. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Strompulse mit Hilfe einer gesteuerten Konstantstromquelle erzeugt werden.

8. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impusgenerator so konzipiert ist, das die Amplitude der Prüfpulse durch das Programm des Microprozzessors verändert werden kann.

9. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß bei weitgehend gleichem Betrag des Prüfstromes die Flußrichtung gesteuert vom Microcontroller geändert wird.

10. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung mehrerer Meßfrequenzen die durch Frequenzabhängikeit der Netzimpedanz und der Filter verursachten Meßfehler korrigiert werden können.