DE10006443B4

DE10006443B4 - Verfahren zur Messung der Impedanz in Stromnetzen

Info

Publication number: DE10006443B4
Application number: DE2000106443
Authority: DE
Inventors: Klaus-Wilhelm Köln; Axel Grabitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: DE10006443A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Impedanz in Stromnetzen zur selbsttätigen Netzfreischaltung dadurch gekennzeichnet, dass
durch einen Mikroprozessor eine schnelle Folge von Prüfpulsen ausgesendet werden, deren Frequenzspektrum und die Reihenfolge der benutzten Frequenzen durch eine Zufallsfunktion erzeugt wurde, und
eine sehr große Anzahl von Messungen der durch die Prüfpulse verursachten Spannungsänderungen in einer vorgegebenen Zeit erfolgen, wobei durch Mittelwertbildung Störeinflüsse unterdrückt werden,
und wobei eine Netzfreischaltung nur dann erfolgt, wenn eine sprunghafte Erhöhung der Netzimpedanz festgestellt wird.

Description

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 DE 195 04 271 C1

Um störende Netzrückwirkungen zu 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 wird 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 Netztrennvorichtungen, wenn die Messungen dadurch gestört werden.
2. Beim Betrieb mehrerer Geräte mit Impedanzmessung an einem Netzpunkt kann es zu gegenseitiger Beeinflussung kommen, da die Pulse netzsynchron sind. (Überlagerung von Messpulsen führt zu Fehlmessungen) Es gibt zwar die Möglichkeit bei mehreren 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)

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 vorkommende 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 mehr 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.

In der DE 19504271 C1 wird ein Verfahren zur Impedanzmessung in Wechselstromnetzen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhinderung von Inselnetzen beschrieben. Es werden durch die Impedanzmessung und -überwachung unkontrollierte Inselnetze verhindert. Durch die Messung der Phasenverschiebung der Spannung ohne Blindstrom zu der Spannung mit Blindstrom kann die Netzimpedanz ermittelt werden, wobei bei einer sprunghaften Änderung der Impedanz das Teilnetz abgetrennt wird.

Nachteil dieser Erfindung ist es, dass es an Netzpunkten, die mit Störungen belastet sind, durch Rückwirkungen auf die Impedanzmessung zu unerwünschten Fehlauslösungen von automatischen Netztrennvorrichtungen kommt.

In US 5587662 wird die Netzimpedanz über eine Spanne von Frequenzen gemessen. Dazu muss eine minimale Frequenz, eine maximale Frequenz, die Zahl der Punkte zwischen der minimalen und der maximalen Frequenz und die Zahl der Messungen erfasst werden, um einen Durchschnitt für jede Frequenz und den nominalen Messwert des eingespeisten Stromes zu ermitteln. Anschließend erfolgt eine graphische Darstellungen der Netzimpedanzgröße und -phase, die auch als einfacher Text gesichert wird, um sie später durch eine andere Software zu nutzen und zu analysieren. Alternativ kann der Netzwerkanalysator ohne Nutzung des Computers die Netzimpedanz als eine Funktion der Frequenz automatisch messen und das Resultat in einem Textfile sichern.

Es wird eine aufwendige Vorrichtung für die Analyse des Netzes bezüglich der Impedanz bei verschiedenen Frequenzen beschrieben. Für die kontinuierliche Überwachung der Impedanz in einer Vielzahl kleiner kostengünstiger Geräte zur automatischen Netzfreischaltung ist sie schon vom Aufwand her ungeeignet. Die einmalige oder mehrmalige Analyse des Netzes bezüglich der Impedanz ist etwas völlig anderes als die kontinuierlich Überwachung der Impedanz zum Zwecke der Erkennung einer unkontrollierten Inselbildung.

In US 5818245 wird eine Impedanzmessung beschrieben, bei der zwei Testsignale mit einer sich von der vorbestimmten Leitungsfrequenz unterscheidenden Frequenz beaufschlagt werden. Die sich daraus ergebenden Impedanzsignale werden durch eine Impedanzmesseinrichtung gemessen. Durch ein Filter wird die Überlagerung mit der Leistungsversorgungsleitungsfrequenz unterdrückt.

In US 4528497 wird ein Gerät für die Überwachung nicht geerdeter Stromverteilersysteme beschrieben, welches den totalen Risikostrom von den isolierten Stromleitern zur Masse anzeigt.

Auch mit diesen zwei Erfindungen kann nicht kontinuierlich die Impedanz zum Zwecke der Erkennung einer unkontrollierten Inselbildung überwacht werden. Die Verwendung von Filtern für ein bestimmtes Frequenzspektrum ist dabei immer an die Messung bei eingeschaltetem Netz gebunden.

Der bisherige Stand der Technik zur kontinuierlichen Überwachung der Impedanz zum Zwecke der automatischen Netzfreischaltung zeigt ausnahmslos, dass die Messungen netzsynchron oder mit einer festen Frequenz erfolgen (z.B. durch Filter). Hierbei wird der Netzstrom oder die Spannung selbst benutzt. Es wird eine Last dazugeschaltet und aus der Spannungsdifferenz wird die Impedanz errechnet. Dies ist auch ein wesentlicher Nachteil des Standes der Technik, da in jedem Fall nur bei angeschaltetem Netz gemessen werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Netzfreischalteinrichtungen die Netzimpedanz kontinuierlich zu überwachen und einen unsicheren Zustand, der durch eine unkontrollierte Inselbildung gegeben sein kann, mit einer einfachen, kostengünstigen Schaltung, die kaum Energie verbrauchen darf, innerhalb weniger Sekunden mit Sicherheit zu erkennen und einen Schaltvorgang auszulösen.

Technische Lösung

Die Lösung der Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Messung der Impedanz in Stromnetzen zur selbsttätigen Netzfreischaltung realisiert, bei dem durch einen Mikroprozessor eine schnelle Folge von Prüfpulsen ausgesendet werden, deren Frequenzspektrum und die Reihenfolge der benutzten Frequenzen durch eine Zufallsfunktion erzeugt wurde. Es erfolgt eine sehr große Anzahl von Messungen der durch die Prüfpulse verursachten Spannungsänderungen in einer vorgegebenen Zeit, wobei durch Mittelwertbildung Störeinflüsse unterdrückt werden. Eine Netzfreischaltung erfolgt nur dann, wenn eine sprunghafte Erhöhung der Netzimpedanz festgestellt wird.

Die schnelle Folge von Prüfpulsen ist nicht netzsynchron und stellt nicht ein Vielfaches der Netzfrequenz dar.

In einer Ausführung werden die Prüfpulse von konstanter Amplitude mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt.

Die Strompulse werden mit Hilfe einer gesteuerten Konstantstromquelle erzeugt und die Amplitude der Prüfpulse wird durch das Programm des Mikroprozessors verändert.

Die Flussrichtung wird bei weitgehend gleichem Betrag des Prüfstromes durch den Mikroprozessor geändert.

Vorteilhafte Wirkungen

Es ergeben sich folgende Vorteile:
Da die Messungen 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 durch starke Mittelwertbildung die Genauigkeit erhöht und Störeinflüsse 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.

Die Erfindung ermöglicht es, dass auch Messungen bei abgeschaltetem Netz durchgeführt werden können. Es werden Pulse erzeugt, die mit der Netzspannung und der Netzfrequenz nichts zu tun haben. Hierin ist auch der wesentliche Vorteil gegenüber dem Stand der Technik zu sehen: Auch bei Netzfreischaltung erfolgt eine kontinuierliche Überwachung, die einen sprunghaften Anstieg der Impedanz erkennt.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Im Folgenden wird ein Messverfahren beschrieben, das nicht mit diesen Nachteilen behaftet ist: Dazu zeigen die Figuren
1 grundsätzlicher Aufbau zur Messung der Impedanz in Stromnetzen
2 Ein Signal Si₁ am AD-Wandler-Eingang ohne Störung mit den Messpunkten a₁, a₂, a₃ – a_n
3 Ein Signal Si₂ am AD-Wandler-Eingang mit Störung mit den Messpunkten a₁, a₂, a₃ – a_n und b₁, b₂, b₃ – b_n
In der 1 wird der grundsätzliche erfindungsgemäße Aufbau zur Messung der Impedanz in Stromnetzen dargestellt, mit dem beim Betrieb von dezentralen Erzeugungsanlagen eine ungewollte Inselbildung in einem Teilnetz erkannt und die Erzeugungsanlage abgeschaltet oder vom Netz getrennt wird.
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.
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.
Der grundsätzliche Aufbau eines Gerätes nach dem beschriebenen Verfahren (siehe 1) enthält folgende Baugruppen Microprozessor M, Impulsgenerator, Hochpass-Filter.
Der Impulsgenerator ist so aufgebaut, dass gesteuert vom Microprozessor M eine schnelle Folge von Pulsen in das Stromnetz eingekoppelt werden kann.
Ein möglicher Aufbau besteht z. B. aus einer bidirektionalen Konstantstromquelle K und zwei von dem Microprozessor M steuerbaren elektronischen Schaltern S₁ und S₂, so dass ein vom Betrag her konstanter Strom in schneller Folge in seiner Flussrichtung gewechselt werden und über einen geeigneten 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-Filter C₃ oder Bandpass-Filter und einen geeigneten Spannungsteiler R₁ und R₂ an einen AD-Wandler-Eingang AD des Microprozessors M gelegt. Der Messbereich kann so eingestellt werden, dass das eigentliche 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

Verfahren zur Messung der Impedanz in Stromnetzen zur selbsttätigen Netzfreischaltung dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Mikroprozessor eine schnelle Folge von Prüfpulsen ausgesendet werden, deren Frequenzspektrum und die Reihenfolge der benutzten Frequenzen durch eine Zufallsfunktion erzeugt wurde, und eine sehr große Anzahl von Messungen der durch die Prüfpulse verursachten Spannungsänderungen in einer vorgegebenen Zeit erfolgen, wobei durch Mittelwertbildung Störeinflüsse unterdrückt werden, und wobei eine Netzfreischaltung nur dann erfolgt, wenn eine sprunghafte Erhöhung der Netzimpedanz festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schnelle Folge von Prüfpulsen nicht netzsynchron ist und nicht ein Vielfaches der Netzfrequenz darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Prüfpulse von konstanter Amplitude mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Strompulse mit Hilfe einer gesteuerten Konstantstromquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Prüfpulse durch das Programm des Mikroprozessors verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussrichtung bei weitgehend gleichem Betrag des Prüfstromes durch den Mikroprozessor geändert wird.