DE10050476A1 - Vorrichtung zur Durchführung von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen Energieverteilnetzen - Google Patents
Vorrichtung zur Durchführung von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen EnergieverteilnetzenInfo
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Abstract
Die aufwandsgünstige und genaue Abstimmung von Entkopplungsfiltern, Konditionierungsnetzwerken, Ankoppelschaltung und dergleichen auf Energieverteilnetzen ist mit bisherigen Geräten und Verfahren nur sehr eingeschränkt möglich. DOLLAR A Um auf einfache Art und Weise die Durchführung universeller Messungen und/oder Datenübertragung bei Niederspannungsnetzen unter Berücksichtigung deren nachrichtentechnischer Eigenschaften zu ermöglichen, ist für den niedrigen Frequenzbereich bis einigen kHz mindestens ein mit allen drei Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Nulleiter (N) und/oder für den höheren Frequenzbereich ein mit im 4-Segment-Kabel gegenüberliegenden Phasenleitern (L1, L3) verbundenes und auf der Netzseite angeordnetes Ankoppelmodul (2a) vorgesehen, weiterhin ein Entkoppelfilter (5), ein Konditionierungsnetzwerk (7, 8), ein Messmodul (11) und ein DSP- und MCU-Modul (1), wobei das DSP-Modul (DSP) Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben im Timesharingverfahren gemäß ihrer jeweiligen Priorität bearbeitet und das MCU-Modul (MCU) die Steuerung des DSP-Moduls (DSP) und die Auswertung der vom DSP-Modul (DSP) gelieferten Daten vornimmt. DOLLAR A Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von PowerLine-Systemen.
Description
Die Erfindung betrifft, gemäß Patentanspruch 1, in erster Linie eine Vorrichtung
zur Durchführung von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in
elektrischen Energieverteilnetzen.
Die Schaffung neuartiger schneller Festnetzzugänge für die Telekommunikation
im Ortsnetzbereich - auch Local Loop oder Last Mile genannt - ist derzeit
Gegenstand intensiver Entwicklungsarbeiten. Nach der Aufhebung der
Fernmeldemonopole hat auf breiter Front ein intensiver Wettbewerb eingesetzt,
der jedoch im Ortsnetzbereich bislang kaum zur Wirkung kam. Der Hauptgrund
hierfür ist, dass die ehemaligen Monopolisten hier nach wie vor die Eigentümer
der Leitungsnetze sind. Alternativen in Form von Mikrowellen-Funknetzen oder
Kabel-TV-Netzen sind zur Zeit in Entwicklung. Sie können jedoch aufgrund
hoher Kosten in absehbarer Zeit keine flächendeckenden Alternativen zu
bestehenden TK-Netzen bieten. Elektrische Energieverteilnetze hingegen haben -
wie zahlreiche Studien und Feldversuche ergaben - durchaus dieses Potential. Sie
sind flächendeckend und weitaus feiner verzweigt als jedes bestehende TK-Netz,
denn sie erreichen nicht nur jedes Haus, sondern unmittelbar jeden
Verbraucher elektrischer Energie und jede Steckdose. Aufgrund dieser
hervorragenden Perspektiven hat sich unter dem Begriff "PowerLine
Communications (PLC)" ein neuer Industriezweig gebildet, der die technische
Umsetzung der neuen Möglichkeiten und die Bereitstellung der damit
verbundenen Dienstleistungen zum Ziel hat.
PowerLine Communication-Systeme sind Nachrichtenübertragungssysteme, die
Information über das Medium Energiekabel verteilen. Insbesondere ist hierbei die
Übertragungsstrecke zwischen Trafostation im Niederspannungsnetz und
Kundenanlage im Haus von Bedeutung. Die folgenden Betrachtungen beziehen
sich nicht auf das Hausverteilnetz der Kundenanlage, sondern auf die
Übertragungsstrecke zwischen Trafostation und Hausanschlußkasten, bzw.
Stromzähler, wo der Zuständigkeitsbereich der Energieversorgungsunternehmen
endet.
Die Topologie dieses Netzabschnittes besitzt meist eine
Punkt-zu-Multipunkt-Struktur mit der Trafostation als Knotenpunkt. An diesem
Knotenpunkt kann beispielsweise eine Sende-Empfangseinheit angeordnet
werden, die hochfrequente Signale bis 30 MHz separat in die abgehenden Kabel
einspeist und dem 50 Hz Energiestrom überlagert. Weitere Sende-
Empfangseinheiten können sich bei der Kundenanlage an der Schnittstelle
zwischen Niederspannungsverteilnetz der Energieversorger und
Hausinstallationsnetz der Kundenanlage befinden. Hier werden ebenfalls
hochfrequente Signale in das Energiekabel eingespeist und empfangen.
Die Überlagerung des 50 Hz-Energiestromes mit hochfrequenten
Datensignalströmen bringt grundsätzlich Probleme der elektromagnetischen
Verträglichkeit mit sich. Diese Problematik läßt sich in zwei Klassen einteilen:
Erstens die elektromagnetische Beeinflussung durch leitungsgebundene Störspannungen und Störströme: Elektrische Verbraucher, die an das Energienetz angeschlossen sind, müssen eine in Normen festgelegte Störfestigkeit besitzen. Gleichzeitig unterliegen die durch diese Geräte verursachten Netzrückwirkungen Grenzwerten bezüglich Störspannung und Störstrom. Diesen Grenzwerten unterliegt grundsätzlich auch ein PLC-System, falls leitungsgebundene Störsignale in die Kundenanlage eindringen. Während nun herkömmliche Verbraucher so ausgelegt werden, daß die Netzrückwirkungen möglichst weit (mit kostenmäßig vertretbarem Aufwand) unterhalb der Grenzwerte liegen, werden sich PLC-Systeme an diesen Grenzwerten orientieren, um mit möglichst hoher Signalenergie die Fehlerhäufigkeit bei der Übertragung zu minimieren.
Erstens die elektromagnetische Beeinflussung durch leitungsgebundene Störspannungen und Störströme: Elektrische Verbraucher, die an das Energienetz angeschlossen sind, müssen eine in Normen festgelegte Störfestigkeit besitzen. Gleichzeitig unterliegen die durch diese Geräte verursachten Netzrückwirkungen Grenzwerten bezüglich Störspannung und Störstrom. Diesen Grenzwerten unterliegt grundsätzlich auch ein PLC-System, falls leitungsgebundene Störsignale in die Kundenanlage eindringen. Während nun herkömmliche Verbraucher so ausgelegt werden, daß die Netzrückwirkungen möglichst weit (mit kostenmäßig vertretbarem Aufwand) unterhalb der Grenzwerte liegen, werden sich PLC-Systeme an diesen Grenzwerten orientieren, um mit möglichst hoher Signalenergie die Fehlerhäufigkeit bei der Übertragung zu minimieren.
Zweitens die elektromagnetische Beeinflussung durch Emission und Immission
von Störfeldern: Ein Niederspannungsverteilnetz besitzt grundsätzlich einen
unsymmetrischen Aufbau. Dies ist zum einen durch den Aufbau der Energiekabel
und zum anderen durch die Ausführung der Erdungspunkte bedingt. Die
Erdungsausführung in TN-C-Netzen (Terre-Neutre-Combiné) begünstigt eine
Gleichtaktausbreitung des HF-Signals und die Unsymmetrie verursacht eine
Gegentakt-Gleichtaktkonversion. Während die Gleichtaktausbreitung zur
Emission elektromagnetischer Störfelder führt, machen sich eingekoppelte
Störfelder durch die Gegentakt-Gleichtaktkonversion als Störspannungen im
Empfänger bemerkbar.
Elektromagnetische Beeinflussung ist stets eine zweiseitige Angelegenheit. Ein
elektrisches Gerät kann gleichzeitig Störquelle und Störsenke sein. Die
Koppelpfade der elektromagnetischen Beeinflussung sind in beide Richtungen
jeweils die gleichen. So ist beispielsweise der Koppelpfad bei Störungen durch
Immisson und Emission die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Gelingt es
nun durch entsprechende EMV-Maßnahmen die Emission zu minimieren, so wird
sich auch die Störbeeinflussung durch Immission reduzieren.
Wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, können unterschiedliche
EMV-Maßnahmen vorgesehen werden, welche die Störbeeinflussung durch
leitungsgebundene und gestrahlte Störgrößen reduzieren. Beispielsweise kann die
Reduzierung der leitungsgebundenen Störbeeinflussung durch Entkoppelfilter
erfolgen, wobei möglichst alle parasitären leitungsgebundenen Ausbreitungswege
des HF-Signals unterdrückt werden. Die Entkoppelfilter werden jeweils an den
Enden der Übertragungsstrecke an Trafostation und Hausanschluß eingesetzt.
An der Trafostation verhindern die Filter eine Ausbreitung des HF-Signals auf die
Sammelschiene und in die parallel liegenden Abzweige. Somit wird zum einen die
HF-Emission an der Sammelschiene reduziert, da die Störspannungspegel auf der
Sammelschiene vermindert werden. Zum anderen wird die leitungsgebundene
Überlagerung des HF-Signals parallel liegender Abzweige verhindert, wodurch
auf parallel liegenden Abzweigen gleiche Frequenzen verwendet werden können.
Am Hausanschluß hat das Entkoppelfilter ebenfalls die Aufgabe, eine Barriere für
HF-Signale zu bilden. Die Entkoppelfilter verhindern ein unerwünschtes
Eindringen des HF-Signals in das Hausinstallationsnetz der Kundenanlage. Auf
Hausinstallationsseite ist somit nur noch mit geringen Störspannungspegeln zu
rechnen. Dies ermöglicht es, auf der Nachrichten-Übertragungsstrecke mit
höheren Sendepegeln zu arbeiten und gleichzeitig die Grenzwerte für
Störspannungspegel auf der Hausinstallationsseite einzuhalten. Sind die Filter als
T- oder TT-Filter ausgeführt, so wird gleichzeitig auch verhindert, dass
Störspannungspegel aus der Verbraucheranlage heraus in die
Übertragungsstrecke eindringen und die Übertragung beeinflussen. Die
Entkoppelfilter bewirken somit eine Separierung von Energieversorgung und
hochfrequenten Signalen.
An die Entkoppelfilter werden mehrere Anforderungen gestellt: Durch den
50 Hz-Strom darf an den Filtern keine Leistungsaufnahme entstehen. Die Filter
dürfen die Energieversorgung nicht beeinträchtigen und müssen gegebenen
Sicherheitsanforderungen entsprechen. Die Filter müssen in den Längspfad der
Energiekabel möglichst ohne großen Aufwand zu integrieren sein. Die
Zugangsimpedanz von der Senderseite aus gesehen, muß groß genug sein, damit
die Sendeendstufe einen ausreichenden Sendepegel einprägen kann. Die
Einfügungsdämpfung und der Dämpfungsverlauf unter realen
Impedanzbedingunzen muß ausreichend sein, um die Störspannungspegel
wirkungsvoll zu reduzieren. Die Filter müssen auch bei Unterlagerung großer
50 Hz-Ströme (in der Trafostation bis zu 200 A) noch ausreichende
Dämpfungswirkung besitzen (die Induktivitäten dürfen trotz des großen Stromes
nicht in die Sättigung gehen).
Die Verwendung von Entkoppelfilter bei PLC mit Trägerfrequenzen über 1 MHz
und Signalübertragung zwischen Phase und Erde ist beispielsweise aus der
Internationalen Patentanmeldung WO 94/09572 (PCT/GB 93/02163) bekannt. Der
Entkoppelfilter besteht aus einem Netzwerk von Induktivitäten und Kapazitäten,
insbesondere mit zwei Drosselspulen und Kapazitäten gegen Masse.
Für die Strecke zwischen Trafostation und Hausanschluß in den
Niederspannungsverteilnetzen wird von den EVU praktisch generell ein
Hauptspeisekabel in 4-Leitertechnik eingesetzt. Das bedeutet, daß der N-Leiter
(Rückstromleiter des Betriebsstromkreises) und der PE-Leiter (Protective Earth)
in einem Leiter, dem PEN-Leiter vereint sind. Diese Form der Netzausführung
nennt man TN-C-Netz (Terre-Neutre-Combiné) im Gegensatz zum TN-S-Netz
(Terre-Neutre-Separe), wo PE- und N-Leiter getrennt geführt werden und nur an
einer einzigen Stelle miteinander verbunden sind. Sowohl Trafostation als auch
Hausanschluß sind im TN-C-Netz geerdet. Somit bietet sich dem
Verbraucherrückstrom zur Trafostation nicht nur der Weg über den N-Leiter,
sondern auch der Weg über das Erdreich.
Dasselbe gilt natürlich auch für das hochfrequente Nutzsignal der
Datenübertragung. Durch diese räumliche Trennung von Hin- und Rückleiter
werden hohe Magnetfelder erzeugt, die benachbarte Stromkreise induktiv
beeinflussen und damit Störspannungen induzieren. Ebenso können sich
Störspannungen von äußeren Quellen der Betriebsspannung und der
Datensignalspannung überlagern. Neben der Induktion durch äußere
Magnetfelder treibt eine durch unterschiedliche Erdpotentiale hervorgerufene
Gleichtaktspannung einen Gleichtaktstrom durch die Versorgungs- bzw.
Datenleitungen. Dieser Gleichtaktstrom bewirkt einen Spannungsabfall an den
Impedanzen der Leitung und des Verbrauchers und ist somit eine weitere
Störgröße.
Ein möglicher Ansatz in der Eliminierung dieser Störquellen und Störsenken,
insbesondere zur Gleichtaktdämpfung, besteht in der Verwendung von
stromkompensierten Drosseln, insbesondere Neutralisierungstransformatoren. Die
Drossel wird meist so in den Leitungspfad integriert, dass sich bedingt durch den
Wicklungssinn die Durchflutungen der in entgegengesetzten Richtungen
fließenden Nutzsignalströme kompensieren. Die Drossel ist somit für
Nutzsignalströme nicht existent. Für die Gleichtaktströme wirkt die
Nenninduktivität der Drossel stark dämpfend und erhöht die Impedanz der
Erdschleife, was bei höheren Frequenzen sinngemäß einer Auftrennung der
Erdschleife gleichkommt. Oberhalb 1 MHz eignen sich als
Neutralisierungstransformatoren sehr gut Ferritringe, wie dies beispielsweise in
der DE-Fachzeitschrift "Funkschau" 12/98 im Aufsatz "EMV-Aspekte zu
hochfrequenten Signalen im Energiekabel" ausführlich beschrieben ist. Hierbei
bilden die Leiter selbst die gleichsinnige Wicklung des Transformators.
Ferritringe können auch zur Entkopplung von Kommunikationssignalen und
Stromversorgung benutzt werden, wie dies beispielsweise in der EP 0 141 673 A1
beschrieben und erläutert ist. Daneben ist für diesen Zweck der Entkopplung
von HF-Signalen und Stromversorgung auch der Einsatz von Entkoppelfilter
möglich, siehe beispielsweise Funkschau-Intensivseminar "PowerLine" am
29. Juni 1998 in München. Hieraus ist die Einbringung von HF-Kurzschlüssen
mittels Kapazitäten zwischen den Phasen des Energieversorgungsnetzes zur
HF-Entkopplung des Hausanschlusses bekannt. Weiterhin wird in der
Trafostation in jede Verbindung vom abgehenden Kabelstrang zur
Sammelschiene eine HF-Drossel mit einer relativ kleinen Induktivität von z. B.
10 µH eingesetzt, die bei 1 MHz einen Blindwiderstand von 60 Ω hat. An einem
typischen Hausanschluß ist der Aufbau der Drosseln einfacher (statt hohe Ströme
bis über 1 kA in der Trafostation meist < 50 A) und der Wellenwiderstand ist
höher als der eines typischen Trafoabgangs. Hinzukommt, dass in der Regel der
Hausanschluß einen Stromzähler aufweist, der durch seine Induktivitäten bereits
eine gewisse HF-Sperre darstellt. Mit einem passend dimensionierten Übertrager
kann somit die Sendestufe des Modems an den Wellenwiderstand des Kabels
angepaßt werden.
Durch Einkopplung äußerer Magnetfelder werden, wie bereits oben erwähnt,
Gleichtaktspannungen induziert, die zu der Ausbreitung eines Gleichtaktstromes
auf der Übertragungsstrecke führen. Dieser Gleichstrom bewirkt einen
Spannungsabfall an der Empfängerimpadanz, der sich als Störspannungspegel
bemerkbar macht. Dieser durch Unsymmetrien hervorgerufene Vorgang wird
Gleichtakt/Gegentaktkonversion genannt. Eine weitere Reduzierung der Emission
und Immission von Störfeldern durch Symmetrierung kann durch Art der
Einspeisung, d. h. durch die Anpassung an den Wellenwiderstand mittels
Konditionierungsnetzwerk erfolgen. Die einphasige Ankopplung bei der
Datenübertragung mit Hilfe eines Koppelkondensators (galvanische Trennung
vom Stromnetz und Ausfilterung niederfrequenter Störsignale) und zugehörigem
Entladewiderstand ist aus z. B. EP 0 684 681 A1 bekannt. In Verbindung mit
einem HF-Übertrager bewirkt diese physikalische Netzanbindung eine
galvanische Trennung vom Stromnetz, die Ausfilterung niederfrequenter
Störsignale durch Hochpasswirkung und die Anpassung der Netzimpedanz an die
Eingangsimpedanz einer nachfolgenden Elektronikeinrichtung mit mehrstufiger
Filterung (passive Bandpassfilter) und geregelter Verstärkung (Regelkreis mit
Hüllkurvendetektor, PI-Regler, Proportionalglied und nichtinvertierenden
Wechselspannungsverstärker). Weiterhin kann in der Ankoppelung parallel zur
Sekundärwicklung des HF-Übertragers eine Supressordiode geschaltet sein,
welche die netzseitigen Hochspannungsspitzen unterdrückt.
Bei der netzgebundenen Übertragungstechnik wird das
230 V/50 Hz-Stromversorgungsnetz, oder ein anderes, z. B. 110 V/60 Hz-Netz,
zusätzlich zu seiner herkömmlichen Stromversorgungsfunktion als Bussystem für
die Übertragung von Informationen benutzt. Eine solche Technik wird im
Rahmen der Gebäudeautomatisierung als Installationsbussystem zur flexiblen
logischen Zuordnung von Sensoren (Schalter, Temperaturfühler, Windmesser,
Steuergeräte) zu Aktoren (Dimmer, Heizungen, Jalousien etc.) eingesetzt. Der
Vorteil einer besonders kostengünstigen Lösung wird erkauft durch die
gemeinsame Nutzung der Stromversorgungsleitung mit den damit verbundenen
Nachteilen, die durch Netzstörungen und schwankende Güte des
Übertragungskanals für die Nutzinformationen entstehen können.
Unter Beachtung europäischer Normen (CENELEC EN 50065) stehen derzeit
Techniken bereit, welche die bidirektionale Datenübertragung mit Raten von
einigen hundert kBit/s erlauben. In der EN 50065 werden vier Frequenzbereiche,
die dort maximal zulässigen Sendeamplituden und die Nutzungsrechte
spezifiziert. Im Band A nutzen in Europa Energieversorgungsunternehmen den
Bereich von 9. . .95 kHz mit einer maximalen Sendeamplitude von 10 V. Auf der
Verbraucherseite steht in Europa der Bereich von 95. . .148.5 kHz mit einer
maximalen Sendeamplitude von 1,2 V zur Verfügung (Band B bis Band D). Bei
der Datenübertragung müssen Buskoppelbausteine, welche die Sende- und
Empfangsfunktionen des Netzübertragungssystems erfüllen, den Besonderheiten
Rechnung tragen, die durch die 230 V-Stromversorgungsleitung als Bus gegeben
sind. Dazu gehören in erster Linie die Notwendigkeit der galvanischen Trennung
zwischen Bus und Applikation, zweitens das Problem der variierenden Impedanz
des jeweiligen Punktes im Versorgungsnetz, an dem der Buskoppelbaustein
angeschlossen ist, drittens die damit verbundenen Unterschiede im auf das Netz
aufgeprägten Sendepegel und der damit verbundenen Sendereichweite und
viertens der Signalempfang unter Präsenz verschiedener Netzstörungen im
Sendefrequenzband, wie z. B. Surge- und Burst-Impulse sowie verschiedene
Formen des Rauschens.
Aus der DE 197 54 800 A1 ist eine Buskoppeleinrichtung bekannt, bei der die auf
das Netz aufgeprägte Sendespannung unabhängig von der Phasenlage der
Netzimpedanz (und weitgehend auch unabhängig vom Betrag der Netzimpedanz)
ist, bei der die galvanische Isolation und die Empfangsempfindlichkeit der
Buskoppeleinrichtung und der daran angeschlossenen Geräte unbeeinflußt bleibt
und bei der eine verbesserte Unterdrückung von Störsignalen außerhalb des
Nutzfrequenzbandes der HF-Signale erreicht wird. Im einzelnen ist in der
Buskoppeleinrichtung für ein Installationsbussystem mit
Stromversorgungsnetz-gebundener Informationsübertragung ein Einkoppelkreis
mit einem HF-Übertrager vorhanden, zu dessen Primärwicklung zumindest ein
Entkopplungskondensator und eine Kompensationsinduktivität in Serie geschaltet
sind, und diese Serienschaltung ist mit einem Niederspannungsnetz verbindbar.
Die Induktivität ist so ausgelegt, dass ihre Impedanz bei der Frequenz eines
einzigen verwendeten HF-Trägersignals, oder eines Mittelwerts der Frequenzen
der HF-Trägersignale im Fall der Verwendung mehrerer HF-Trägersignale, die
Impedanz des Entkopplungskondensators durch eine Serienresonanz kompensiert,
wobei die Induktivität auch unter Berücksichtigung von Streuinduktivitäten des
HF-Übertragers ausgelegt ist. Weiterhin kann in die Serienschaltung von
Entkopplungskondensator, Induktivität und Primärwicklung ein
Sicherungswiderstand eingefügt werden. Schließlich ist für den Fall, dass auf der
Sekundärseite des Übertragers ein Sendeverstärker angeschlossen ist, der einen
Auskoppelkondensator enthält, oder der über einen solchen gleichspannungsfrei
angeschlossen ist, zusätzlich eine sekundärseitige Kompensation mittels einer
sekundärseitigen Induktivität durchgeführt. Dabei ist diese sekundärseitige
Induktivität in Reihe mit der Sekundärwicklung des Übertragers geschaltet, und
kompensiert die Impedanz des Auskoppelkondensators bei der Frequenz des
HF-Trägersignals oder des Mittelwerts von HF-Trägersignal-Frequenzen. Durch
diese Art der Vorkompensation arbeitet das System in stark induktiven Netzen
genauso sicher und erzielt ähnliche Reichweiten, wie in schwach induktiven oder
auch kapazitiven Netzen.
Neben der vorstehend geschilderten Einrichtungen zur Kommunikation in PLC-
Systemen sind auch Einrichtungen zur Realisierung von Meßfunktionen bekannt.
In der Regel wird die Spannung über einen Spannungsteiler und der Strom mit
Hilfe eines Shunts gemessen, aber auch die Verwendung von Übertragern bei der
Strommessung ist beispielsweise aus der DE 197 01 324 A1 bekannt. Bei dem
dort beschriebenen Verfahren bzw. Schaltungsanordnung zur Messung von
Wechselstrom niedriger Frequenz wird von einem als Transformator
ausgebildeten Stromwandler, dessen Primärwicklung von dem zu messenden
Wechselstrom durchflossen ist und an dessen Sekundärwicklung Mittel zur
Wandlung des sekundären Meßstromes in eine adäquate Meßspannung
angeschlossen sind, ausgegangen. Im einzelnen wird zur weitgehenden
Entkopplung der Meßspannung von den nichtlinearen frequenz-, amplituden- und
temperaturabhängigen Übertragungseigenschaften des Stromwandlers
vorgeschlagen, den Frequenzgang bestimmenden Innenwiderstand der
Sekundärwicklung durch einen virtuellen, negativen Serienwiderstand zu
kompensieren. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Mittel zur Wandlung des
sekundären Meßstroms in, eine adäquate Meßspannung eine nichtinvertierende,
gegengekoppelte Verstärkerschaltung umfassen und dass die Sekundärwicklung
des Stromwandlers in einem zusätzlichen Mitkopplungsnetzwerk der
Verstärkerschaltung angeordnet ist.
Zur Entwicklung von Kommunikationssystemen zur schnellen Datenübertragung
über Energieverteilnetze und zur Fehlersuche beim Betrieb solcher Systeme,
insbesondere zur Netzdiagnose ist es erforderlich, die nachrichtentechnischen
Eigenschaften der Netze für einen Frequenzbereich von einigen kHz bis über
10 MHz zu berücksichtigen. In der Regel ergibt sich ein recht bizarrer
Dämpfungsverlauf mit einem Anstieg der Dämpfung mit wachsender Frequenz.
Es genügt keineswegs, nur wenige exemplarische Messungen durchzuführen, da
Niederspannungsnetze sehr heterogen sind und viele Parameter der Netztopologie
und der verwendeten Kabel den Frequenzgang der Dämpfung beeinflussen.
Insbesondere die Länge der Impulsantwort ist maßgebend für die Festlegung
wichtiger Übertragungssystemparameter, wie z. B. die Dauer des sogenannten
Schutz- oder Guard-Intervalls bei OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing - das bevorzugte Modulationsverfahren für Powerline
Telekommunikation). Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Messstrecken
sehr unterschiedlich sind, z. B. Messungen über kurze Distanzen bis zu einigen 10
Metern in Gebäuden und Messungen zwischen Trafostation und Hausanschluß
mit Strecken von einigen hundert Metern. Eine weitere Besonderheit bei
Energieverteilnetzen ist, dass man es dort stets mit einem gewissen Störpegel zu
tun hat, der nicht abgeschaltet werden kann. Der reale PLC-Betrieb muss ja am
"lebenden" Netz, d. h. ohne Unterbrechung der Energieversorgung stattfinden.
Soll beispielsweise die komplexe Übertragungsfunktion und/oder die
Impulsantwort sogenannter PowerLine-Kanäle bestimmt werden, so ist eine
Erhöhung der Sendeenergie nur durch eine Erhöhung der Impulsamplitude
möglich, da eine Verlängerung der Impulsdauer zu einer Verringerung der
Bandbreite des Sendesignals führt. Eine Erhöhung der Sendeamplitude stellt zum
einen hohe Anforderungen an die Linearität und Spitzenleistung der Endstufe des
Meßsenders und ist zum anderen problematisch beim Einsatz an in Betrieb
befindlichen Niederspannungsnetzen, da durch sehr hohe Impulsamplituden
Störungen bei angeschlossenen Verbrauchern hervorgerufen werden können. Des
weiteren können Nichtlinearitäten die Ergebnisse verfälschen, da bei der
Messung Amplituden zum Einsatz kommen, die deutlich höher sind als die
Amplituden typischer PLC-Sendesignale. Wie die vorstehende Würdigung des
Standes der Technik aufzeigt, ist die aufwandsgünstige und genaue Abstimmung
von Entkopplungsfiltern, Konditionierungsnetzwerken, Ankoppelschaltung und
dergleichen auf Energieverteilnetzen mit bisherigen Geräten und Verfahren nur
sehr eingeschränkt möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung kosteneffizient derart
zu realisieren, dass auf einfache Art und Weise die Durchführung universeller
Messungen und/oder Datenübertragung bei Niederspannungsnetzen unter
Berücksichtigung deren nachrichtentechnischer Eigenschaften ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung zur Durchführung von
universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen
Energieverteilnetzen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, indem diese
- a) für den niedrigen Frequenzbereich mindestens ein mit allen drei Phasenleitern und dem Nulleiter und/oder für den höheren Frequenzbereich ein mit gegenüberliegenden Phasen verbundenes und auf der Netzseite angeordnetes Ankoppelmodul,
- b) ein Entkoppelfilter mit mindestens zwei Paaren von in den Längspfad der Leiter integrierten Spulen sowie mindestens drei zwischen die Leiter geschalteten Impedanzen,
- c) ein sowohl auf der Netzseite als auch auf der Verbraucherseite angeordnetes Konditionierungsnetzwerk mit mindestens einer zwischen zwei Leitern geschalteten Impedanz,
- d) ein Messmodul mit mindestens einem Shunt oder Übertrager, welcher mit mindestens einem Leiter verbunden ist,
- e) ein mit dem Messmodul und mit mindestens einem Ankoppelmodul verbundenes DSP- und MCU-Modul und
- f) eine mit dem DSP- und MCU-Modul in Verbindung stehende Anzeigeeinrichtung sowie ein Stromversorgungsmodul
aufweist, wobei das DSP-Modul Übertragungs-, Meß- und Diagnoseaufgaben im
Timesharing-verfahren gemäß ihrer jeweiligen Priorität bearbeitet und das MCU-
Modul die Steuerung der. Applikationen vornimmt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass auf überraschend
einfache Art und Weise die einzelnen Module für verschiedene Anwendungen
individuell angeordnet bzw. eingesetzt werden können:
- - Metering: Die Reihenfolge von DSP- und MCU-Modul und Entkoppelfilter einschließlich Stromversorgung werden vertauscht, um die Stromaufnahme der Meß-/Übertragungseinrichtung nicht zu erfassen.
- - Pumpe, Motor u. ä. als Verbraucher: Der Entkoppelfilter für die hochbitratige Übertragung von HF-Signalen dient zusätzlich zur Strombegrenzung im Anlauf bei Motoren und zur Verbesserung der Störeigenschaften.
- - Netzdiagnose: Durch den Entkoppelfilter lassen sich Leitungs- und Störmessungen für den Innerhaus- und Außerhausbereich getrennt voneinander durchführen.
- - Verbraucheranschluß: Anstelle eines Verbrauchers läßt sich auch ein Schaltmodul mit Lastrelais anschließen.
- - Stromsparende Anzeigeeinrichtung: Anzeigeeinrichtung z. B. Display wird nur aktiv bei bestimmtem Ereignis: Bewegungssensor, Tastendruck, Änderungen des Umgebungslichts.
- - DSP- und MCU-Modul: Netzströme und = Spannungen werden messtechnisch erfasst (Strommessung mit Shunts oder Übertragern)
- - DSP (digital signal processor): im Timesharing-Verfahren werden Übertragungs-, Meß- und Diagnoseaufgaben gemäß ihrer jeweiligen Priorität bearbeitet; Ermittlung von Energiegrößen wie z. B. Blind-, Wirk- u. Scheinleistung sowie Größen zur Kontrolle/Diagnose bzw. Steuerung von Frequenzumrichtern und Asynchronmotoren; Verbraucherschutz durch Kurzschluß- und FI-Messung und u. ä. Diagnosen; die Fernabfrage bzw. -Kontrolle der Meßdaten und Datenübertragung kann über eine separate PC-Schnittstelle mit dem DSP als Transceiver erfolgen.
- - MCU (microcontroller unit): Protokollschichten und Steuerung der Applikationen.
Weiterhin ist von Vorteil, dass eine Integrierbarkeit des Gesamtmoduls am Zähler
des Hausanschlusses sowie an der Trafostation möglich ist. Die
Gleichtakt/Gegentaktkonversion laßt sich reduzieren, indem nachfolgende
Methode der Aus- und Einkopplung eingesetzt wird. Zunächst wird davon
ausgegangen, dass die Einspeisung des HF-Signales auf je zwei Phasen erfolgt,
und der PEN-Leiter nicht gespeist wird. Der PEN-Leiter besitzt durch die
unmittelbare Erdschleife ein erhöhtes Störspektrum und wird deshalb nicht zur
Signaleinkopplung herangezogen. Für folgende Betrachtung wird von einem
Ersatzschaltbild der Übertragungsstrecke mit Sender und Empfängerimpedanz
ausgegangen. Eine Gleichtaktspannung (hervorgerufen durch Induktion oder
unterschiedliche Erdpotentiale an Trafostation und Hausanschluß) führt nicht zu
einem Spannungsabfall an der Empfängerimpedanz, falls die Impedanzen der
gespeisten Leitungen gegen Erde gleich groß sind. Betrachtet man den Aufbau
eines 4-Segment-Kabels, erkennt man, dass die Bedingung C1' = C2' erreicht wird,
wenn man auf die beiden, dem PEN benachbarte Phasen, einspeist. Der
Kapazitätsbelag C' ist für diese gegenüberliegenden Leiter zum PEN-Leiter
identisch. Durch diese Art der Einspeisung wird die Symmetrie der
Übertragungsstrecke erhöht und die Gleichtakt/Gegentaktkonversion verringert,
wobei die nachrichtentechnischen Eigenschaften der Netze für einen
Frequenzbereich von einigen kHz bis über 10 MHz, insbesondere der
Dämpfungsverlauf mit Einbrüchen und einem Anstieg der Dämpfung mit
wachsender Frequenz auf überraschend einfache Art und Weise berücksichtigt
wird.
Weiterhin ist es - infolge der Modularität der erfindungsgemäßen Vorrichtung -
möglich für Analysen der Netzgrößen wie z. B. Transientenmessungen die
Berechnungen softwaremäßig (im DSP-Modul) oder - speziell bei aufwendigen
Berechnungen - in zusätzlich vorgesehener Hardware durchzuführen. In
vorteilhafter Weise ist auch die Einbeziehung von Übertragern zur
Leistungsmessung des Messmoduls in den Entkoppelfilter, die Einbeziehung des
Konditionierungsnetzwerks in das Ankoppelmodul und die Vertauschung von
DSP/MCU-Modul und Messmodul und Stromversorgung und Entkoppelfilter
möglich. Die Impedanzen des Entkoppelfilters sind vorzugsweise Kapazitäten.
Schließlich kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Ankoppelmoduls
parallel im niedrigen Frequenzbereich mit 3-phasiger Ankopplung und im höheren
Frequenzbereich mit Ankopplung auf gegenüberliegende Phasen (bei dieser Art
der Einspeisung wird bei einem 4-Segment-Kabel die Symmetrie der
Übertragungsstrecke erhöht und damit die Gleichtakt/Gegentaktkonversion
verringert) auf dem Stromnetz übertragen werden. Das Konditionierungsnetzwerk
kann auch im Ankoppelmodul integriert sein, d. h. das bzw. die beiden
Ankoppelmodule (siehe Patentanspruch 3) enthalten bereits die
Konditionierungsimpedanzen. Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche
Anbringung von Bauelementen (nämlich des Konditionierungsnetzwerks)
zwischen den Leitern wegfällt, da diese bereits im Ankoppelmodul integriert sind.
Weiterhin wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Vorrichtung zur
Durchführung von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektri
schen Energieverteilnetzen gemäß Patentanspruch 9 gelöst, indem diese
- a) für die Energiemessung und Messung im niedrigen Frequenzbereich ein mit allen drei Phasenleitern und dem Nulleiter verbindbares und auf der Netzseite angeordnetes erstes Messmodul, bestehend aus Antialiasingfilter, einen mit diesem verbundenen ΣΔ-Modulator und mindestens einem mit diesem verbundenen Dezimationsfilter,
- b) für die Transientenanalyse im höheren Frequenzbereich ein mit allen drei Phasenleitern und dem Nulleiter verbindbares und auf der Netzseite angeordnetes zweites Messmodul, bestehend aus Hochpass, einem mit diesem verbundenen Tiefpass, einem Analog/Digital-Wandler mit nachgeordnetem Mischer und mindestens einem Eingangsverstärker und
- c) ein mit den beiden Messmoduln in Verbindung stehendes DSP- und MCU-Modul
aufweist, wobei das DSP-Modul Übertragungs-, Mess- und Diagnoseaufgaben im
Timesharing-verfahren gemäß ihrer jeweiligen Priorität bearbeitet und das MCU-
Modul die Steuerung der Applikationen vornimmt.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht mit
geringem Schaltungsaufwand die Energiemessung und Ermittlung der für die
Überwachung der Elektroenergiequalität (EEQ) relevanten Größen. Für die
Energiemessung ist die Erfassung von Oberwellen bis mindestens zur 20sten
Harmonischen erforderlich. Daher werden beim erfindungsgemäßen Konzept bei
der Energiemessung Frequenzen bis mindestens 1 kHz (bei 50 Hz) und 1,2 kHz
(bei 60 Hz) erfasst. Für die Überwachung der Elektroenergiequalität sind
grundsätzlich drei Bereiche vorgesehen. So können zum Beispiel Analysen von
Signalen (Spannung und Strom) im Bereich von 50 Hz bis 2000 Hz, Analysen im
Bereich von 2000 Hz bis 9000 Hz und eine Transientenanalyse mit einer
Abtastrate im MHz-Bereich durchgeführt werden.
Die Abtastwerte für die Transientenanalyse werden über den analogen
Empfangspfad, der sonst für die Datenübertragung über das Stromnetz benutzt
wird, erfasst. Hierbei sind erfindungsgemäß die Transientenanalyse mit der
Datenübertragung harmonisiert und DSP-Modul bzw. MCU-Modul führen
Berechnungen durch für
- - die Datenübertragung
- - die Energiemessung und
- - die Überwachung und Steuerung der Elektroenergiequalität.
Die Aufgaben des DSP-Moduls sind im einzelnen:
- - Datenübertragung: Aufgaben der physikalischen Schicht (FFT, IFFT und Modulation/Demodulation)
- - Energiemessung: Darstellung der Eingangsgrößen (z. B. Energie, Leistung)
- - Überwachung der Elektroenergiequalität: Ermittlung der Kenngrößen der Energiequalität (durch z. B. FFT, THD [total harmonic distortion], symmetrische Komponenten)
und die Aufgaben des MCU-Moduls sind:
- - Datenübertragung: höhere Protokollschichten (z. B. Netzwerkmanagement, Fehlerprotokoll, Peripherie)
- - Energiemessung: Datenverwaltung (z. B. Datentransport zum zentralen Verarbeitungssystem, Lastprofilspeicher)
- - Überwachung und Steuerung der Elektroenergiequalität: Datenverwaltung (z. B. Datentransport vom/zum zentralen Steuer- und Verarbeitungssystem, Lastprofilspeicher, Einflussnahme auf die Energiequalität, z. B. Steuerung eines Kompensationsreglers).
Die erzeugten Daten und Werte können dann über das Stromnetz zu einem
zentralen Steuer- und Verarbeitungssystem transportiert und dort ausgewertet
werden. Somit ist dann z. B. die Kontrolle bzw. Steuerung der Energiequalität
und/oder die Energieverrechnung möglich.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht, gemäß
Patentanspruch 2, das Konditionierungsnetzwerk aus drei jeweils zwischen zwei
Phasenleitern geschalteten Impedanzen, welche eine Reihenschaltung aus einem
Widerstand und einem Kondensator aufweisen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 weist den Vorteil
auf, dass zur Vermeidung von Reflexionen ein Abschluß der Übertragungsstrecke
mit dem Wellenwiderstand erfolgt. Messungen an einem Musternetzaufbau und
Modellierung des Energiekabels haben gezeigt, dass im Frequenzgang der
Übertragungsstrecke eine selektive Dämpfung vereinzelter Frequenzbereiche
auftritt. Die Ausprägung dieser sogenannten Notches aufgrund von
Fehlanpassungen, die zu Mehrwegeausbreitung der HF-Signale führen, läßt sich
durch eine Netzkonditionierung erheblich verringern. Eine Angabe des
Wellenwiderstandes eines 4-Segmentkabels und somit der Aufbau und
Dimensionierung des Konditionierungsnetzwerkes ist nur unter der Angabe des
betrachteten Leiterpaares sinnvoll. So ist der Wellenwiderstand benachbarter
Leiter verschieden zu dem Wellenwiderstand gegenüberliegender Leiter. Beim
NAYY150SE-Kabel ist der Wellenwiderstand benachbarter Leiter kleiner als der
gegenüberliegender Leiter, da der Kapazitätsbelag benachbarter Leiter größer ist.
Das Konditionierungsnetzwerk wird nun so ausgeführt, daß die resultierende
Impedanz zwischen zwei Leitern gerade dem Wellenwiderstand dieses
Leiterpaares entspricht. Konditioniert werden nur die drei Phasen gegeneinander.
Eine Konditionierung des PEN-Leiters würde eine Parallelimpedanz zu den
beiden Kondensatoren ergeben und somit lediglich die Symmetrie
beeinträchtigen. Vorteile der Netzkonditionierung sind ein geglätteter
Frequenzgang, eine definierte Zugangsimpedanz für Sender und Empfänger und
damit auch eine Unabhängigkeit von der unbekannten Hausanschlussimpedanz.
Hierdurch wird auch die Impedanzmodulation unterdrückt, die eine
Kanalschätzung und eine Einstellung der AGC stört.
In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 3, ein
Erweiterungsmodul vorgesehen, welches mit zwei sowohl auf der Netzseite als
auch auf der Verbraucherseite angeordneten Ankoppelmoduln und dem DSP- und
MCU-Modul verbunden ist.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass mit dem
Erweiterungsmodul ein Kommunikations-Gateway zwischen Außer- und
Innerhausbereich entsteht. Derzeit ist lediglich der Frequenzbereich zwischen 9
und 148,5 kHz (CENELEC EN 50065) freigegeben. Falls zukünftig eine
Übertragung auch in höheren Frequenzlagen stattfindet, ist eine einfache
Erweiterbarkeit gegeben. Das Gesamtsystem muss nicht zwei Ankoppelmodule
enthalten. Will man beispielsweise nur einen Stromzähler realisieren, welcher die
Daten zur Trafostation überträgt, so entfällt das zweite Ankoppelmodul
(einschließlich Konditionierungsnetzwerk und Erweiterungsmodul). Für
entsprechende Anwendungen ist die Netzkonditionierung optional, d. h. das
Konditionierungsnetzwerk bzw. die Konditionierungsimpedanzen können dann
entfallen.
Vorzugsweise weist, gemäß Patentanspruch 4, das Meßmodul zur
Leistungsmessung mindestens drei mit den Phasenleitern verbundene Übertrager
und/oder Shunts auf und/oder ein zusätzlicher Übertrager und/oder Shunt auf
dem Nulleiter dient zur Überprüfung der Symmetrie (Fehlerströme).
Durch diese Ausgestaltung kann das Meßsystem zur Netzspannungsüberwachung
gemäß EN 50160, zur Feststellung und Erfassung von
Versorgungsunterbrechungen, Spannungseinbrüchen, Spannungsänderungen,
Überspannungen und Oberschwingungen ebenso wie zur Überwachung der
Frequenz und Symmetrie der Spannung dienen. Weiterhin kann es als Zähler zur
Verrechnung des Stromverbrauchs sowie zur Blindleistungssteuerung als
Kompensationsregler, zur Oberschwingungssteuerung oder zur direkten
Beeinflussung der Steuerwinkel geregelter Antriebe eingesetzt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung, gemäß Patentanspruch 5, ist gekennzeichnet
durch die Einbeziehung von Übertragern zur Leistungsmessung des Meßmoduls
in den Entkoppelfilter.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei Verwendung
von Übertragern zur Leistungsmessung, die Übertragerinduktivitäten in den
Entkoppelfilter mit einbezogen werden und somit Induktivitäten eingespart
werden können.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dient, gemäß Patentanspruch
6, der Entkoppelfilter gleichzeitig zur Netzfilterung für das
Stromversorgungsmodul, wobei das Stromversorgungsmodul parallel zu den
Impedanzen des Entkoppelfilters zwischen dem Nulleiter und einem der
Phasenleiter an das Netz angeschlossen ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass sowohl Filter
eingespart werden können als auch die Separierung von Energieversorgung und
hochfrequenten Signalen bewirkt wird. Eine ähnliche Anordnung zur
Stromversorgung einer Übertragungseinrichtung auf Niederspannungsnetzen ist
aus der internationalen Patentanmeldung WO 98/18211 bekannt, ohne dass Filter
eingespart wurden. Die Filter können als "differential mode" T- oder LC-(LT)
Typen ausgeführt werden. Der Anforderung "ausreichende Induktivität bei später
Sättigung" wird folgende Ausführung der induktiven Elemente gerecht: Ein
Leitermaterial wird in eine spezielle geometrische Form gebracht und mit einem
Gemisch aus Eisenpulver oder Ferritpulver und Epoxydharz umgeben. Die
Elementarteilchen des Pulvers besitzen winzige Abstände zueinander, was einer
Verteilung eines Luftspaltes im Kernmaterial gleichkommt. Alternativ kann durch
das gezielte Einbringen von Luftspalten die Sättigung in den Bereich sehr hoher
Stärken des magnetischen Feldes verlagert werden, wodurch ebenfalls die späte
Sättigungsneigung erzielt wird. Die geometrische Form des Elementes ist so
ausgelegt, dass Induktivität und parasitäre Kapazität in der gewünschten
Größenordnung liegen. Der Einbau von Serieninduktivitäten zur Sperrung des
Durchgangs hochfrequenter Signale auf das Sammelschienensystem einer
Trafostation oder auf das Installationsnetz eines Gebäudes erfolgt in die
Strompfade, wobei durch Materialwahl und Ausgestaltung dafür gesorgt wird,
dass aufgrund der Lastströme keine Sättigung in dem Maße eintritt, daß die
erwünschte Sperrfunktion nennenswert beeinträchtigt wird. Vorzugsweise erfolgt
die Positionierung der Serieninduktivitäten in der Nähe der "Kabelwurzeln" in
Trafostationen und bei Hausanschlüssen. Die Serieninduktivitäten können dabei
in Form von Ringen, Rechtecken oder Zylindern aus magnetischen Materialien
wie Ferriten oder nanokristallinen Werkstoffen aufgebaut werden, und der
stromtragende Leiter wird durch den Ring, das Rechteck oder den Zylinder
geführt oder auch in einer oder mehreren Windungen um den magnetischen
Körper geschlungen.
Weiterhin weist, gemäß Patentanspruch 7, das Ankoppelmodul mindestens einen
Entkoppelkondensator und mindestens einen Entladewiderstand auf, welche mit
dem Phasenleiter verbunden sind.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass das Anbringen von
Hochfrequenzkurzschlüssen in Form von Kondensatoren auf der Sammelschiene
einer Trafostation, vorzugsweise unmittelbar an den Anschlußflanschen der
Serieninduktivitäten bzw. auf der Zählerseite eines Hausanschlusses erfolgen
kann.
Schließlich ist, nach Patentanspruch 8, mindestens in jedem Phasenleiter eine
Sicherung eingeschleift und in Abhängigkeit davon, welche
Entkoppelkondensatoren im Ankoppelmodul verwendet werden, sind die
Konditionierungsimpedanzen zwischen den Sicherungen und den
Entkoppelkondensatoren oder auch erst hinter den Entkoppelkondensatoren
angeordnet.
In der internationalen Patentanmeldung WO 98/33258 ist eine modifizierte
Sicherung zur Einkopplung von Kommunikationssignalen und anderer Aufgaben
beschrieben. Als "Sicherung" wird dabei jede Art einer "austauschbaren
Sicherung" definiert. Im Gegensatz hierzu ist bei der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung eine Modifikation des Sicherungssockels vorgesehen, indem
entweder der bisherige Sockel komplett ausgetauscht wird oder ein
festverankerter Adapter benutzt wird. In beiden Fällen ergibt sich der Vorteil,
dass die herkömmlichen (und geprüften) Sicherungen ohne Modifikation
weiterhin verwendet werden können.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Patentanspruch 9 ist
gemäß Patentanspruch 10 vorgesehen, dass zwischen Mischer und DSP-Modul
ein Tiefpass, nachfolgend mindestens eine Dezimationsstufe und nachfolgend ein
Zwischenspeicher angeordnet sind.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Abtastrate
reduziert und die im Zwischenspeicher enthaltenen Abtastwerte zum DSP-Modul
weitergeleitet werden. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise nicht notwendig,
dass das DSP-Modul eine kontinuierliche Überwachung der einzelnen
Abtastwerte durchführen muss, wodurch mehr Rechenkapazität für andere
Aufgaben zur Verfügung steht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch
11, der Eingangsverstärker des zweiten Messmoduls als Verstärker mit
nichtlinearer Kennlinie ausgestaltet oder mittels eines externen Multiplexers wird
zwischen zwei Eingangsverstärkern mit unterschiedlicher Kennlinie
umgeschaltet.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass mit demselben Messmodul
Powerline-Signale sowohl mit einer Amplitude im Voltbereich als auch transiente
Signale mit einer Amplitude bis zu beispielsweise 6 kV gemessen werden
können. In entsprechender vorteilhafter Weise kann mittels des externen
Multiplexer zwischen zwei verschiedenen Verstärkern mit unterschiedlicher
Kennlinie umgeschaltet werden und so die Messung in zwei verschiedenen
Spannungsbereichen erfolgen.
Vorzugsweise weist, gemäß Patentanspruch 12, das zweite Messmodul
mindestens einen Multiplexer auf, mittels dessen die Eingangssignale direkt dem
Analog/Digital-Wandler zugeführt und im Zeitmultiplex-Betrieb verarbeitet
werden oder es ist ein zusätzlicher Analog/Digital-Wandler vorgesehen, welchem
die Eingangssignale zugeführt werden und welcher mit dem DSP-Modul
verbunden ist.
Schließlich sind gemäß Patentanspruch 13 in Reihe liegende weitere
Dezimationsfilter vorgesehen und zur Vorverarbeitung werden die
Ausgangssignale der Dezimationsfilter jeweils einem mit dem DSP-Modul
verbundenen Filter zugeführt.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass in den Dezimationsfiltern die
Umwandlung des überabgetasteten Signals mit geringer Auflösung in ein Signal
mit hoher Auflösung und geringerer Abtastrate erfolgt. Dadurch ist auf einfache
Art und Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise für den
Einsatzbereich Stromzähler geeignet, wo eine relativ hohe Auflösung bei einer
gleichzeitig niedrigen Abtastrate benötigt wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen ersten Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung von
universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen
Energieverteilnetzen gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine erste Ausgestaltung des Ankoppelmoduls zur HF-Ankopplung
über zwei (gegenüberliegende) Phasen und zur dreiphasigen
Ankopplung im niederfrequenten Bereich (CENELEC-Band),
Fig. 3 bevorzugte Ausführungsformen für die Impedanzen des
Entkoppelfilters,
Fig. 4 eine zweite Ausgestaltung des Ankoppelmoduls und
Fig. 5 eine dritte Ausgestaltung des Ankoppelmoduls gemäß der
Erfindung,
Fig. 6 das Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung
zur Durchführung von universellen Messungen und/oder
Datenübertragung in elektrischen Energieverteilnetzen gemäß der
Erfindung und
Fig. 7 Einzelheiten der Messmodule zur Transientenmessung,
Energiemessung und der unteren Bereiche der EEQ-Messung für
die Vorrichtung nach Fig. 6.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung von universellen
Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen Energieverteilnetzen
gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung weist hierzu für den niedrigen
Frequenzbereich ein mit allen drei Phasenleitern L1, L2, L3 und dem Nulleiter N
bzw. für den höheren Frequenzbereich ein mit gegenüberliegenden Phasen L1, L3
verbundenes und sowohl auf der Netzseite als auch auf der Verbraucherseite
angeordnetes Ankoppelmodul 2a, 2b auf. Bevorzugte Ausgestaltungen des
Ankoppelmoduls 2a, 2b sind in den Fig. 2, Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt.
Weiterhin ist ein Entkoppelfilter 5 mit vier Spulenpaaren und vier zwischen den
Leitern L1, L2, L3 und N liegenden Impedanzen (vorzugsweise Kondensatoren)
sowie ein sowohl auf der Netzseite als auch auf der Verbraucherseite
angeordnetes Konditionierungsnetzwerk 7, 8 mit jeweils einer zwischen zwei
Leitern geschalteten Impedanz vorgesehen. Es können auch zwei Spulenpaare
anstatt der eingezeichneten vier vorgesehen werden, d. h. auf zwei Leitern
entfallen die eingezeichneten Spulenpaare (vorzugsweise auf N und L2, da für
die höheren Frequenzen zwischen L1 und L3 übertragen wird). Durch die
Benutzung von Entkoppelfilter 5 ist es möglich im Inhaus- und Außerhausbereich
die gleichen Frequenzbänder zu verwenden.
Ein Meßmodul 11 mit drei Übertragern zur Leistungsmessung und mit einem
Übertrager zur Überprüfung der Symmetrie, ist sowohl mit den Leitern L1, L2,
L3 und N als auch mit einem DSP- und MCU-Modul 1 verbunden. Weiterhin
sind mit dem DSP- und MCU-Modul 1 das Ankoppelmodul 2a (über die Leitung
3) und eine Anzeigeeinrichtung 10 verbunden. Für das Gesamtmodul ist ein
Stromversorgungsmodul 6 vorgesehen, wobei das Stromversorgungsmodul 6
parallel zu den Impedanzen des Entkoppelfilters 5 zwischen dem Nulleiter N und
den Phasenleitern L1, L2 oder L3 an das Netz angeschlossen ist. Dabei kann der
Entkoppelfilter 5 gleichzeitig zur Netzfilterung für dieses
Stromversorgungsmodul 6 verwendet werden. Hierzu wird das Modul parallel zu
einer der Impedanzen des Entkoppelfilters 5 zwischen dem Nulleiter N und einen
der Phasenleiter L1, L2, oder L3 an das Netz angeschlossen, wobei vorzugsweise
der Phasenleiter L2 verwendet wird, um die Symmetrie von den Phasenleitern L1
und L3 gegenüber dem Nulleiter N nicht zu beeinträchtigen. Das
Konditionierungsnetzwerk 7, 8 kann auch im Ankoppelmodul 2a, 2b integriert
sein, d. h. es enthält bereits die Konditionierung bzw. die
Konditionierungsimpedanzen Z1, Z2 und ggf. Z3 (siehe Fig. 2, Fig. 4 und Fig. 5).
Dadurch kann das externe Konditionierungsnetzwerk 7, 8 entfallen, was den
Vorteil mit sich bringt, dass eine zusätzliche Anbringung dieser Bauelemente
zwischen den Leitern wegfällt.
Schließlich ist ein Erweiterungsmodul 9 vorgesehen, welches mit den beiden
Ankoppelmoduln 2a, 2b und dem DSP- und MCU-Modul 1 verbunden ist. Das
DSP-Modul bearbeitet Übertragungs-, Meß- und Diagnoseaufgaben im
Timesharing-verfahren gemäß ihrer jeweiligen Priorität und das MCU-Modul
nimmt die Steuerung der Applikationen vor.
Die Ankopplung kann, wie in Fig. 2 gezeigt, 3-phasig oder auf
gegenüberliegenden Phasen erfolgen. Hierbei dienen die Kondensatoren C1, C2,
C3 zur Entkopplung der hohen, niederfrequenten Versorgungsspannung. Die
Induktivitäten L21, L22 bzw. L23 in Verbindung mit den Induktivitäten L1, L2 und
L3 sind so dimensioniert, dass diese im höheren Frequenzbereich einem Leerlauf
nahekommen und dienen damit der HF-Abschottung der Übertrager für die 3-
phasige Ankopplung im niedrigeren Frequenzbereich. Gegebenenfalls kann L1 mit
L21 und L2 mit L22 usw. zusammengefaßt werden. Weiterhin können die
Induktivitäten L1, L2 und L3 auch als bifilare Wicklung um die jeweilige
Übertragerspule oder als Ferritummantelung ausgeführt werden.
Die Impedanzen des Entkoppelfilters 5, die zwischen den einzelnen Leitern
angebracht sind, dienen dazu, diese für HF-Signale kurzzuschließen, und können
dazu in verschiedener Weise zwischen den Leitern angebracht werden. Die
Abbildungen a, b und c in Fig. 3 zeigen hierfür drei weitere (neben der in Fig. 1
gezeigten) bevorzugte Varianten (auch hier können gegebenenfalls zwei
Spulenpaare weggelassen werden) vom Entkoppelfilter 5.
Abhängig davon, welche Entkoppelkondensatoren C1, C2, C3 im Ankoppelmodul
2a, 2b verwendet werden, können die Konditionierungsimpedanzen zwischen den
Sicherungen und den Entkoppelkondensatoren C1, C2, C3 (wie in Fig. 4)
positioniert werden oder auch erst hinter den Entkoppelkondensatoren C1, C2, C3
(wie in Fig. 2). Im zweiten Fall (Fig. 2) kann dabei auf die
Konditionierungsimpedanz Z3 verzichtet werden, da bereits die
Verstärkerimpedanz von der Primärseite auf die Sekundärseite transformiert wird,
was durch die beiden Impedanzen Zvs und Zvr (in Fig. 2 strichliniert
eingezeichnet) angedeutet werden soll.
Fig. 5 zeigt eine weitere Variante für das Ankoppelmodul 2a, 2b für den Fall,
dass die Entkoppelkondensatoren C1, C2, C3 nicht HF-tauglich sind. Deshalb
zweigt der HF-Pfad hier direkt hinter den Konditionierungsimpedanzen Z1, . . ., Z3
ab und enthält separate, HF-taugliche Kondensatoren C4 und C5, sowie die
zusätzlichen Entladewiderstände R4 und R5. Die Konditionierungsimpedanz Z3
kann hier (analog zu Fig. 2) auch entfallen, da auch hier bereits die
Verstärkerimpedanz von der Primärseite des Übertragers auf die Sekundärseite
transformiert wird, was durch die beiden Impedanzen Zvs und Zvr angedeutet
werden soll.
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung zur
Durchführung von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in
elektrischen Energieverteilnetzen gemäß der Erfindung. Bei der in Fig. 6
dargestellten Ausgestaltung umfasst das DSP- und MCU-Modul 1 (mit DSP und
MCU) auch verschiedene Puffer und Programmspeicher. Die Abtastwerte für die
Transientenanalyse werden über den analogen Empfangspfad, der sonst für die
Datenübertragung über das Stromnetz benutzt wird, erfasst und über ein Analog
Front End (mit Hochpass HP, Tiefpass LP und Verstärker V1; siehe Fig. 7),
einem Analog-Digital-Wandler AD, einem Mischer MI sowie weiterer nur
symbolisch angedeuteter Einrichtungen (dem Tiefpass TP, der Dezimations-Stufe
D und dem Zwischenspeicher ZSP; siehe Fig. 7) dem DSP- und MCU-Modul 1
zugeführt. Die abgetasteten Messdaten für den Energiezähler können von einem
externen Zählerchip (Option 2) geliefert und im DSP- und MCU-Modul 1
verarbeitet werden. Zusätzlich liefert der Energiezähler die Eingangswerte für die
beiden unteren Analyse-Bereiche der EEQ-Messungen (z. B. 50 Hz bis 2000 Hz
und 2000 Hz bis 9000 Hz). Diese Werte werden ebenfalls im DSP- und MCU-
Modul 1 verarbeitet.
Durch die zusätzliche Realisierung eines weiteren Messkanals (Option 1) kann
eine Eigenstrommessung des Kompensationsreglers durchgeführt werden.
Hierdurch kann die Funktion des Reglers überprüft werden und der Arbeitspunkt
bestimmt werden. Weiterhin kann der Zustand des Netzknotens und die Stabilität
überwacht werden. Daneben bestehen beim Einsatz des Energiezählers die
Möglichkeiten:
- a) Einsatz eines externen Zählerchips (Option 2 in Fig. 6),
- b) Einsatz eines Meter Analog Front End mit AD-Wandlern (Option 1 in Fig. 6),
- c) Erweiterung von b) durch zusätzliche Messkanäle (Option 1 in Fig. 6).
Fig. 7 zeigt Einzelheiten der Messmodule MNF und MHF zur
Transientenmessung, Energiemessung und der unteren Bereiche der EEQ-
Messung für die Vorrichtung nach Fig. 6. Für die Energiemessung und Messung
im niedrigen Frequenzbereich ist ein mit allen drei Phasenleitern L1, L2, L3 und
dem Nulleiter N verbindbares und auf der Netzseite angeordnetes erstes
Messmodul MNF vorgesehen. Das Messmodul MNF besteht aus
Antialiasingfilter AF, einen mit diesem verbundenen ΣΔ-Modulator M und
mindestens einem mit diesem verbundenen Dezimationsfilter DF1. Die
Realisierung mehrerer Kanäle kann im Zeitmultiplex oder durch eine parallele
Anordnung für den ΣΔ-Modulator M und dem Dezimationsfilter DF1 erfolgen.
Für die Transientenanalyse im höheren Frequenzbereich ist ein mit allen drei
Phasenleitern L1, L2, L3 und dem Nulleiter N verbindbares und auf der Netzseite
angeordnetes zweites Messmodul MHF vorgesehen. Das zweite Messmodul
MHF besteht aus einem Filter F1, einem Analog/Digital-Wandler AD mit
nachgeordnetem Mischer MI und mindestens einem Eingangsverstärker V mit
variabler Verstärkung.
Für die Transientenanalyse wird der Empfangspfad benutzt, der im analogen
Bereich aus Filter F1, Verstärker V sowie dem Analog/Digital-Wandler AD
besteht. Die Frequenzen, die vom Analog/Digital-Wandler AD erfasst werden
können, werden durch die Grenzfrequenzen des Filters F1 begrenzt. Die vom
Analog/Digital-Wandler AD erzeugten Werte durchlaufen den für die
Datenübertragung notwendigen Mischer MI (so konfiguriert, dass keine
Veränderung des Signals erfolgt). Durch den nachfolgenden Tiefpass LP und die
nachfolgende Dezimations-Stufe D wird die Abtastrate reduziert und die im
Zwischenspeicher ZSP gepufferten Daten werden dann an das DSP-Modul DSP
geleitet. Hier erfolgen dann die für die Transientenanalyse nötigen Berechnungen.
Die Schaltung zur Erzeugung der Abtastwerte für die Energiemessung und die
unteren beiden Bereiche der EEQ-Messung besteht aus Antialiasingfilter AF, ΣΔ-
Modulator M, Dezimationsfiltern DF1 bis DF4, und evtl. zusätzlichen Filtern F2,
F3 und F4 zur Vorverarbeitung. Der ΣΔ-Modulator M tastet das analoge
Eingangssignal I1 bis I3 bzw. U1 bis U3 mit einer sehr viel höheren Frequenz ab,
als nach dem Abtasttheorem notwendig wäre. Mit dem ΣΔ-Modulator M wird das
analoge Eingangssignal in eine digitales Signal mit geringer Auflösung gewandelt.
Hierbei wird die Technik des "noise shaping" angewandt, wodurch das
Quantisierungsrauschen zu größeren Frequenzen hin verschoben wird. Somit
entfällt möglichst wenig Leistung des Quantisierungsrauschens auf den
eigentlichen Signalfrequenzbereich. In den Dezimationsfiltern DF1 bis DF4
erfolgt die Umwandlung des überabgetasteten Signals mit geringer Auflösung in
ein Signal mit hoher Auflösung und geringerer Abtastrate.
Für den Einsatzbereich als Stromzähler wird eine relativ hohe Auflösung bei einer
gleichzeitig niedrigen Abtastrate benötigt. Hierfür ist der ΣΔ-Modulator M
vorzugsweise vorgesehen.
Der relevante Frequenzbereich der Eingangssignale I1 bis I3 bzw. U1 bis U3
(Messwerte) liegt im Bereich von wenigen kHz. Um zu vermeiden, dass
hochfrequente Anteile im Eingangssignal I1 bis I3 bzw. U1 bis U3 durch die
Abtastung in den interessierenden Bereich gefaltet werden, ist der Einsatz des
Antialiasing-Filters AF notwendig. Die Abtastrate der ΣΔ-Modulatoren M ist sehr
viel größer als die Bandbreite der Eingangssignale I1 bis I3 bzw. U1 bis U3.
Daher genügt meist ein relativ einfaches Antialiasing-Filters AF, um eine
ausreichend große Dämpfung (mind. 40-50 dB) im Bereich der Abtastrate der
Modulatoren (fmod-fsig) zu erhalten und somit Störungen im Nutzbandbereich,
hervorgerufen durch die Abtastung, zu vermeiden. Um das
Quantisierungsrauschen der ΣΔ-Modulatoren M zu reduzieren und um eine
nachfolgende Unterabtastung (Verringerung der Abtastrate) zu ermöglichen,
erfolgt anschließend eine Filterung durch das Dezimationsfilter DF1. Um
unterschiedliche Abtastraten für die verschiedenen Messbereiche zu erhalten,
erfolgt durch die Dezimationsfilter DF2 bis DF4 eine Aufspaltung des
Signalpfades. Hierbei durchläuft das digitale Signal am Ausgang des ΣΔ-
Modulators M nach dem ersten Dezimationsfilter DF1 unterschiedlich viele
weitere Dezimationsfilter DF2, DF3 und DF4 und steht dann anschließend mit
unterschiedlichen Faktoren unterabgetastet zur Verfügung. Hierdurch werden
digitale Signale mit unterschiedlichen effektiven Abtastraten des Eingangssignals
I1 bis I3 bzw. U1 bis U3 erzeugt. Die digitalen Messgrößen für Strom und
Spannung können dann noch optional zur Vorverarbeitung in F2 bis F4 gefiltert
und dann dem DSP-Modul DSP zur weiteren Verarbeitung übergeben werden.
Dort erfolgen die weiteren Auswertungen.
Die erzeugten Daten und Werte können dann über das Stromnetz zu einem
zentralen Steuer- und Verarbeitungssystem transportiert und dort ausgewertet
werden. Somit ist dann z. B. die Kontrolle bzw. Steuerung der Energiequalität
und/oder die Energieverrechnung möglich.
Um mit dem selben Schaltungspfad PowerLine-Signale mit einer Amplitude im
Voltbereich und transiente Signale mit einer Amplitude bis zu 6 kV messen zu
können, wird am Eingang des Messmoduls MHF ein Verstärker mit nichtlinearer
Kennlinie V eingesetzt ("geknickte" oder logarithmische Kennlinie). Hierdurch
kann der große Amplitudenbereich der Eingangssignale abgedeckt werden.
Um den Einsatz eines solchen Verstärkers mit nichtlinearer Kennlinie V im
PowerLine-Übertragungsbetrieb zu vermeiden, kann durch einen externen
Multiplexer zwischen zwei verschiedenen Verstärkern mit unterschiedlicher
Kennlinie umgeschaltet werden und so die Messung in zwei verschiedenen
Spannungsbereichen erfolgen (in der Zeichnung nicht dargestellt). Mittels
Multiplexer MUX kann im zweiten Messmodul MHF zwischen den
Eingangssignalen U1, U2, U3 umgeschaltet werden, wie dies in Fig. 7 im oberen
Pfad von MHF angedeutet ist.
Evtl. können bei der Transientenanalyse andere oder keine Filter sinnvoll sein.
(Beim Einsatz eines Verstärkers mit nichtlinearer Kennlinie V muss das Anti-
Aliasing-Filter im Messmodul MHF geeignet positioniert werden, um die
ansonsten auftretenden nichtlinearen Verzerrungen bei der Filterung zu
vermeiden.)
Der für die Datenübertragung notwendige Mischer MI wird so konfiguriert, dass
keine Veränderung des Signals erfolgt und am Ausgang das reelle Eingangssignal
anliegt, das dann im Bedarfsfall im DSP-Modul DSP durch entsprechende
Algorithmen ausgewertet wird.
Durch eine entsprechend Ausgestaltung können die Transienten erkannt
(Maximalwert, Flankensteilheit) und dann die vorher in einem Puffer
(Zwischenspeicher ZSP) geschriebenen Abtastwerte zum DSP-Modul DSP zur
Analyse weitergeleitet werden. Das DSP-Modul DSP muss somit keine
kontinuierliche Überwachung der einzelnen Abtastwerte durchführen, wird also
entlastet und stellt mehr Rechenkapazität für andere Aufgaben (z. B. PowerLine-
Übertragung) zur Verfügung. Zusätzlich zu den in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten
Eingangsgrößen kann auch eine Messung des Stroms im Nulleiter erfolgen.
Weiterhin kann in einem 5-Leiter-System auch die Spannung im Nulleiter
gemessen werden.
Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik vereint die erfindungsgemäße
Vorrichtung die Funktionen zur Kommunikation, Netzkontrolle, Netzanalyse,
Meßfunktion (z. B. auch zur Messung von Fehlerstrom oder Fehlerspannung) und
Blindleistungssteuerung sowie Schutzfunktion (z. B. Motorschutz) in sich. Das
Gesamtmodul ist damit kosteneffizient und vereint Kommunikation und
Netzkontrolle in einem System, ermöglicht eine geringe Bauteilgröße und damit
eine einfache Montage und die Integrierbarkeit am Zähler des Hausanschlusses
sowie an der Trafostation, berücksichtigt die Netzsymmetrie und bietet die
Möglichkeit zur Erweiterung.
Alle dargestellten und beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten, sowie alle in der
Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten neuen Einzelmerkmale und
ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich. Beispielsweise kann
über eine PC-Schnittstelle (siehe Fig. 1; Bezugszeichen 4) eine Fernabfrage bzw.
-kontrolle der Messdaten und Datenübertragung mit dem DSP-Modul als
transceiver erfolgen, kann die Aktivierung der Anzeigeeinrichtung zur Anzeige
von Daten durch einen Bewegungssensor, Tastendruck oder Änderung des
Umgebungslichts erfolgen, kann das Ankoppelmodul mit
Konditionierungsnetzwerk ausgestaltet sein, kann die nichtlineare Verstärkung
digital kompensiert werden, können durch den Einsatz von Multiplexern die
Eingangssignale direkt zum A/D-Wandler gelangen und im Zeitmultiplex-Betrieb
verarbeitet werden, kann alternativ ein zusätzlicher (externer oder interner) A/D-
Wandler vorgesehen werden, der im Zeitmultiplex-Betrieb eine Wandlung der
Eingangsgrößen durchführt und wobei die Daten über einen zusätzlichen Kanal
zum DSP-Modul gelangen, die Anzahl der Dezimationsfilter ist variabel und kann
auch mehr als die in Fig. 4 dargestellten vier Dezimationsfilter umfassen; das
Filter F1 kann aus einem Hochpass und einem Tiefpass bestehen; über eine
Verstärkerregelung kann beim Eingangsverstärker V und/oder weiteren in der
Kette geschalteter Verstärker die Verstärkung eingestellt werden u. a.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Durchführung von universellen Messungen und/oder
Datenübertragung in elektrischen Energieverteilnetzen, welche hierzu
- a) für den niedrigen Frequenzbereich mindestens ein mit allen drei Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Nulleiter (N) und/oder für den höheren Frequenzbereich ein mit gegenüberliegenden Phasen (L1, L3) verbundenes und auf der Netzseite angeordnetes Ankoppelmodul (2a),
- b) ein Entkoppelfilter (5) mit mindestens zwei Paaren von in den Längspfad der Leiter (L1, L2, L3, N) integrierten Spulen sowie mindestens drei zwischen die Leiter (L1, L2, L3, N) geschalteten Impedanzen,
- c) ein sowohl auf der Netzseite als auch auf der Verbraucherseite angeordnetes Konditionierungsnetzwerk (7, 8) mit mindestens einer zwischen zwei Leitern geschalteten Impedanz,
- d) ein Messmodul (11) mit mindestens einem Shunt oder Übertrager, welcher mit mindestens einem Leiter (L1) verbunden ist,
- e) ein mit dem Meßmodul (11) und mit mindestens einem Ankoppelmodul (2a) verbundenes DSP- und MCU-Modul (1) und
- f) eine mit dem DSP- und MCU-Modul (1) in Verbindung stehende Anzeigeeinrichtung (10) sowie ein Stromversorgungsmodul (6)
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Konditionierungsnetzwerk (7, 8) aus drei jeweils zwischen zwei
Phasenleitern (L1-L2, L2-L3 und L1-L3) geschalteten Impedanzen besteht,
welche eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator
aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Erweiterungsmodul (9) vorgesehen ist, welches mit zwei sowohl auf der
Netzseite als auch auf der Verbraucherseite angeordneten Ankoppelmoduln
(2a, 2b) und dem DSP- und MCU-Modul (1) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Messmodul (11) zur Leistungsmessung mindestens drei mit den Phasenleitern
(L1, L2 und L3) verbundene Übertrager und/oder Shunts aufweist und/oder
dass ein zusätzlicher Übertrager und/oder Shunt auf dem Nulleiter (N) zur
Überprüfung der Symmetrie (Fehlerströme) dient.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, gekennzeichnet durch die
Einbeziehung von Übertragern zur Leistungsmessung des Messmoduls (11)
in den Entkoppelfilter (5).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Entkoppelfilter (5) gleichzeitig zur Netzfilterung für das
Stromversorgungsmodul (6) dient, wobei das Stromversorgungsmodul (6)
parallel zu den Impedanzen des Entkoppelfilters (5) zwischen dem Nulleiter
(N) und einem der Phasenleiter (L1, L2 oder L3) an das Netz angeschlossen
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Ankoppelmodul mindestens einen Entkoppelkondensator (C1, C2, C3) und
mindestens einen Entladewiderstand (R1, R2, R3) aufweist, welche mit den
Phasenleiter (L1, L2 oder L3) verbunden sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in
jedem Phasenleiter (L1, L2 oder L3) eine Sicherung (F1, F2, F3)
eingeschleift ist und dass in Abhängigkeit davon, welche
Entkoppelkondensatoren (C1, C2, C3) im Ankoppelmodul (2a, 2b) verwendet
werden, die Konditionierungsimpedanzen zwischen den Sicherungen (F1, F2,
F3) und den Entkoppelkondensatoren (C1, C2, C3) (wie in Fig. 4) oder auch
erst hinter den Entkoppelkondensatoren (C1, C2, C3) (wie in Fig. 2)
angeordnet sind.
9. Vorrichtung zur Durchführung von universellen Messungen und/oder
Datenübertragung in elektrischen Energieverteilnetzen, welche hierzu
- a) für die Energiemessung und Messung im niedrigen Frequenzbereich ein mit allen drei Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Nulleiter (N) verbindbares und auf der Netzseite angeordnetes erstes Messmodul (MNF), bestehend aus Antialiasingfilter (AF), einen mit diesem verbundenen ΣΔ-Modulator (M) und mindestens einem mit diesem verbundenen Dezimationsfilter (DF1),
- b) für die Transientenanalyse im höheren Frequenzbereich ein mit allen drei Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Nulleiter (N) verbindbares und auf der Netzseite angeordnetes zweites Messmodul (MHF), bestehend aus einem Filter (F1), einem Analog/Digital-Wandler (AD) mit nachgeordnetem Mischer (MI) und mindestens einem Eingangsverstärker (V) und
- c) ein mit den beiden Messmoduln (MNF, MHF) in Verbindung stehendes DSP- und MCU-Modul (1)
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
Mischer (MI) und DSP-Modul (DSP) ein Tiefpass (LP), nachfolgend
mindestens eine Dezimationsstufe (D) und nachfolgend ein Zwischenspeicher
(ZSP) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
Eingangsverstärker (V) des zweiten Messmoduls (MHF) als Verstärker mit
nichtlinearer Kennlinie ausgestaltet ist oder dass mittels eines externen
Multiplexers zwischen zwei Eingangsverstärkern mit unterschiedlicher
Kennlinie umgeschaltet wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite
Messmodul (MHF) mindestens einen Multiplexer (MUX) aufweist, mittels
dessen die Eingangssignale (U1, U2, U3) direkt dem Analog/Digital-Wandler
(AD) zugeführt und im Zeitmultiplex-Betrieb verarbeitet werden oder dass
ein zusätzlicher Analog/Digital-Wandler vorgesehen ist, welchem die
Eingangssignale (U1, U2, U3) zugeführt werden und welcher mit dem DSP-
Modul (DSP) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe
liegende weitere Dezimationsfilter (DF2, DF3 und DF4) vorgesehen sind und
dass zur Vorverarbeitung die Ausgangssignale der Dezimationsfilter (DF2,
DF3 und DF4) jeweils einem mit dem DSP-Modul (DSP) verbundenen Filter
(F2, F3 und F4) zugeführt werden.
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