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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung sowohl von Messungen
als auch von Datenübertragung
in elektrischen Energieverteilnetzen.
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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.
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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.
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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 50Hz 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.
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Die Überlagerung
des 50Hz-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.
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-Combine)
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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 A1 bekannt. Der Entkoppelfilter besteht aus
einem Netzwerk von Induktivitäten
und Kapazitäten,
insbesondere mit zwei Drosselspulen und Kapazitäten gegen Masse.
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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-Combine) im Gegensatz zum TN-S-Netz
(Tene-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.
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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.
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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 A2 beschrieben und erläutert ist. Daneben ist für diesen
Zweck der Entkopplung von HF-Signalen und Stromversorgung auch der
Einsatz von Entkoppelfilter möglich,
insbesondere die Einbringung von HF-Kurzschlüssen mittels Kapazitäten zwischen
den Phasen des Energieversorgungsnetzes zur HF-Entkopplung des Hausanschlusses.
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
1kA in der Trafostation meist < 50A)
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.
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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 Empfängerimpedanz,
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 die 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.
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Bei
der netzgebundenen Übertragungstechnik
wird das 230V/50Hz-Stromversorgungsnetz, oder ein anderes, z.B.
110V/60Hz-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.
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Es
stehen derzeit Techniken bereit, welche die bidirektionale Datenübertragung
mit Raten von einigen hundert kBit/s erlauben. Dabei sind vorzugsweise
vier Frequenzbereiche vorgesehen, wobei im Band A in Europa Energieversorgungsunternehmen den
Bereich von 9 ... 95 kHz mit einer maximalen Sendeamplitude von
10V nutzen. Auf der Verbraucherseite steht in Europa der Bereich
von 95 ... 148.5 kHz mit einer maximalen Sendeamplitude von 1,2V 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung zur Durchführung sowohl
von Messungen als auch von Datenübertragung
in elektrischen Energieverteilnetzen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, indem
diese
- a) für
den niedrigen Frequenzbereich bis einigen KHz mindestens ein mit
allen drei Phasenleitern und dem Nulleiter und/oder für den höheren Frequenzbereich
ein mit im 4-Segment-Kabel
gegenüberliegenden
Phasenleitern 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, bestehend aus 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 Überwachungsaufgaben
im Timesharing-verfahren gemäß ihrer
jeweiligen Priorität
bearbeitet und das MCU-Modul die Steuerung des DSP-Moduls und die
Datenverwaltung der vom DSP-Modul gelieferten Daten vornimmt.
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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.
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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.
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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.
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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/die beiden Ankoppelmodule (Patentanspruch
3) enthalten bereits die Konditionierungs-impedanzen. Dies hat den
Vorteil, dass eine zusätzliche
Anbringung von Bauelementen (nämlich des
Konditionierungsnetzwerks) zwischen den Leitern wegfällt, da
diese bereits im Ankoppelmodul integriert sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch
9, für
die Energiemessung und Messung im niedrigen Frequenzbereich bis
einigen KHz ein mit allen drei Phasenleitern und dem Nulleiter verbindbares
und auf der Netzseite angeordnetes erstes Messmodul, bestehend aus
Antialiasingfilter, einem mit diesem verbundenen ΣΔ-Modulator
und mindestens einem mit diesem verbundenen Dezimationsfilter, und
für die
Transientenanalyse im höheren
Frequenzbereich ein mit allen drei Phasenleitern und dem Nulleiter
verbindbares und auf der Netzseite angeordnetes zweites Messmodul,
bestehend aus mindestens einem Eingangsverstärker, einem mit diesem verbundenen
Filter und einem Analog/Digital-Wandler
mit nachgeordnetem Mischer, vorgesehen und das DSP- und MCU-Modul steht
mit den beiden Messmoduln in Verbindung.
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Diese
Ausgestaltung 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
und 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.
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Die
Abtastwerte 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-/MCU-Modul führen Berechnungen durch für
- • die
Datenübertragung
- • die
Energiemessung und
- • die Überwachung
und Steuerung der Elektroenergiequalität.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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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).
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Durch
diese Ausgestaltung kann das Meßsystem
zur Netzspannungsüberwachung
auch 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.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung, gemäß Patentanspruch
5, ist gekennzeichnet durch die Einbeziehung von Übertragern
des Messmoduls zur Leistungsmessung in den Entkoppelfilter.
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Diese
Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf dass bei Verwendung
von Übertrager
zur Leistungsmessung, die Übertragerinduktivitäten in den
Entkoppelfilter mit einbezogen werden und somit Induktivitäten eingespart
werden können.
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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.
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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 A1 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.
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Weiterhin
weist, gemäß Patentanspruch
7, das Ankoppelmodul mindestens einen Entkoppelkondensator und mindestens
einen Entladewiderstand auf, welche mit dem Phasenleiter verbunden sind.
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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.
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Schließlich liegt,
nach Patentanspruch 8, in jedem Phasenleiter eine Sicherung und
die Konditionierungsimpedanzen sind zwischen den Sicherungen und
den Entkoppelkondensatoren oder auch erst hinter den Entkoppelkondensatoren
angeordnet.
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In
der internationalen Patentanmeldung WO 98/33258 A2 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.
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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.
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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.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch
11, der Eingangsverstärker
des zweiten Messmoduls als Verstärker mit
nichtlinearer Kennlinie ausgestaltet oder mittels eines Multiplexers
wird zwischen zwei Eingangsverstärkern
mit unterschiedlicher Kennlinie umgeschaltet.
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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.
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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 verbünden ist.
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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.
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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:
-
1 einen ersten Aufbau der
Vorrichtung zur Durchführung
von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen
Energieverteilnetzen,
-
2 eine erste Ausgestaltung
des Ankoppelmoduls zur HF-Ankopplung über zwei (gegenüberliegende)
Phasen und zur dreiphasigen Ankopplung im niederfrequenten Bereich
(CENELEC-Band),
-
3 bevorzugte Ausführungsformen
für die Impedanzen
des Entkoppelfilters,
-
4 eine zweite Ausgestaltung
des Ankoppelmoduls und
-
5 eine dritte Ausgestaltung
des Ankoppelmoduls gemäß der Erfindung,
-
6 das Blockschaltbild einer
zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung von universellen Messungen
und/oder Datenübertragung
in elektrischen Energieverteilnetzen und
-
7 Einzelheiten der Messmodule
zur Transientenmessung, Energiemessung und der unteren Bereiche
der EEQ-Messung für
die Vorrichtung nach 6.
-
1 zeigt einen Aufbau der
Vorrichtung zur Durchführung
von universellen Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen
Energieverteilnetzen.
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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 2, 4 und 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 2, 4 und 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.
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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.
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Die
Ankopplung kann, wie in 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.
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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 3 zeigen
hierfür
drei weitere (neben der in 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 4)
positioniert werden oder auch erst hinter den Entkoppelkondensatoren
C1, C2, C3 (wie in 2).
Im zweiten Fall (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 2 strichliniert
eingezeichnet) angedeutet werden soll.
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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 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.
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6 zeigt das Blockschaltbild
einer zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung von universellen
Messungen und/oder Datenübertragung in elektrischen
Energieverteilnetzen. Bei der in 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, einem Analog-Digital-Wandler AD, einem Mischer
MI sowie weiterer nur symbolisch angedeuteter Einrichtungen (dem
Tiefpass LP, der Dezimations-Stufe D und dem Zwischenspeicher ZSP;
siehe 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 6),
- b) Einsatz eines Meter Analog Front End mit AD-Wandlern (Option
1 in 6),
- c) Erweiterung von b) durch zusätzliche Messkanäle (Option
1 in 6).
-
7 zeigt Einzelheiten der
Messmodule MNF und MHF zur Transientenmessung, Energiemessung und
der unteren Bereiche der EEQ-Messung
für die
Vorrichtung nach 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 FI, einem Analog/Digital-Wandler AD mit nachgeordnetem Mischer
MI und mindestens einem Eingangsverstärker V mit variabler Verstärkung.
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Für die Transientenanalyse
wird der Empfangspfad benutzt, der im analogen Bereich aus Filter FI,
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 FI 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.
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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 DF 1 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.
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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 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 entsprechende 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 6 und 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.
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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.
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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 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 7 dargestellten vier Dezimationsfilter
umfassen; das Filter FI 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.