DE102010036209A1

DE102010036209A1 - Method for monitoring low voltage circuit breaker used in power distribution system, involves determining whether measurement signal is plausible based on lower resolution of secondary measurement signal by microcontroller

Info

Publication number: DE102010036209A1
Application number: DE201010036209
Authority: DE
Inventors: Andre Borgwardt; Thomas Driehorn; Ilka Jakubowski; Peter KOPACZEWSKI; Andreas Krauss; Aron-Ernst Musiol; Gerd Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01

Abstract

The method involves converting voltage signal (U) into measurement signal (MS1) by a detection unit (ASIC). The measurement signal (MS1) is transmitted to a microcontroller of electronic trip unit (ETU). The microcontroller is provided with an analog-to-digital converter (ADC) connected to analog input end (AE). A digital measurement signal (MS2) obtained from voltage signal, is transmitted to ADC through input end. The determination of whether measurement signal (MS1) is plausible, is performed based on lower resolution of measurement signal (MS2) by microcontroller.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Schalters, insbesondere eines Leistungsschalters für Niederspannungen, gemäß dem Anspruch 1.The invention relates to a method for monitoring a switch, in particular a circuit breaker for low voltages, according to claim 1.

Leistungsschalter für Niederspannungen sind bekannt und werden insbesondere in Stromverteilungsanlagen eingesetzt. Bei einem mehrpoligen Schalter wird jeder Pol von einem Strom durchflossen, wobei der stromführende Leiter jeweils durch eine Polkassette des Schalters verläuft. Bei geschlossenem Schalter liegen Kontaktelemente in Form von Kontaktstücken aneinander an, die zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Mittels am Leiter angeordneter Wandler und einer nachgeschalteten Signalaufbereitung wird der Strom in ein stromproportionales analoges Spannungssignal umgewandelt. Dieses Spannungssignal deckt den gesamten Dynamikbereich des Stroms ab, also auch den Kurzschlussbereich, in dem der Strom sehr hohe Werte annimmt. Zur genauen Erfassung des Stroms dient eine Erfassungseinheit ASIC, die das Spannungssignal jeweils in ein digitales Messsignal in Form einer Digitalzahl umwandelt. Das Messsignal wird auf einen Digitaleingang eines Mikrocontrollers einer elektronischen Auslöseeinheit gegeben. Der Mikrocontroller vergleicht das Messsignal mit einem digitalen Stromgrenzwert. Überschreitet das Messsignal den Stromgrenzwert, löst die Auslöseeinheit die Trennung der Kontaktelemente aus, was insbesondere bei einem Kurzschluss der Fall ist.Low-voltage circuit-breakers are known and used in particular in power distribution systems. In a multi-pole switch, each pole is traversed by a current, wherein the current-carrying conductor in each case passes through a polarity cassette of the switch. When the switch is closed contact elements in the form of contact pieces abut each other, which are separated to open the switch from each other. The current is converted into a current-proportional analog voltage signal by means of transducers arranged on the conductor and a subsequent signal conditioning. This voltage signal covers the entire dynamic range of the current, including the short-circuit range, in which the current assumes very high values. For accurate detection of the current is a detection unit ASIC, which converts the voltage signal in each case into a digital measurement signal in the form of a digital number. The measuring signal is applied to a digital input of a microcontroller of an electronic trip unit. The microcontroller compares the measurement signal with a digital current limit. If the measuring signal exceeds the current limit value, the tripping unit triggers the separation of the contact elements, which is the case in particular in the case of a short circuit.

Moderne Leistungsschalter decken neben ihrer Hauptaufgabe, dem Schutz vor Kurzschluss und Überlast, eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen ab. Damit einhergehend müssen die Leistungsschalter in Bezug auf Kommunikationsfähigkeit, Power Management usw. hohen Anforderungen genügen, so dass sie mittlerweile eine hohe Komplexität aufweisen. Damit steigt auch die Anforderung an die Genauigkeit der Messwerte, die ein Leistungsschalter bereitstellen muss. Deshalb werden heute in Leistungsschaltern komplexe Erfassungseinheiten, oft in Form von kundenspezifischen Schaltkreisen ASIC, zur Messwerterfassung in Verbindung mit nachgeschalteten Mikrocontrollern eingesetzt. Diese Erfassungseinheiten ASIC liefern über den gesamten Dynamikbereich des Stroms Messwerte mit einer sehr hohen Auflösung.In addition to their main task, short-circuit protection and overload protection, modern circuit-breakers cover a large number of additional functions. As a result, the circuit breakers must meet high requirements in terms of communication capability, power management, etc., so that they now have high complexity. This also increases the requirement for the accuracy of the measured values that a circuit breaker must provide. For this reason, complex circuit breakers, often in the form of customer-specific ASIC circuits, are now used in circuit breakers to record measured values in conjunction with downstream microcontrollers. These detection units ASIC deliver measured values with a very high resolution over the entire dynamic range of the current.

Auf der anderen Seite sind Leistungsschalter Schutzgeräte, welche auch in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden, wie z. B. in der Luftfahrttechnik, der Marinetechnik und Kernkraftwerken. Ein wichtiger Aspekt bei sicherheitsgerichtetem Einsatz ist die funktionale Integrität. Diese erfordert es, sowohl die auf den Leistungsschaltern laufende Software (Firmware) als auch deren Hardware ständig zu überwachen. Wird ein Fehler detektiert, so wird dieser ggf. noch durch weitere und/oder wiederholte Maßnahmen überprüft. Wird der Fehler bestätigt, liegt also tatsächlich ein Fehler vor, wird anschließend eine vordefinierte Reaktion ausgeführt und ein vordefinierter sicherer Zustand angenommen. Eine vordefinierte Reaktion ist eine vorhersehbare Reaktion im Fehlerfall, die mit entsprechenden Meldungen verbunden ist.On the other hand, circuit breakers are protective devices that are also used in safety-related areas, such as: B. in aviation technology, marine engineering and nuclear power plants. An important aspect of safety-related use is functional integrity. This requires constant monitoring of both the software (firmware) running on the circuit breakers and their hardware. If an error is detected, it will possibly be checked by further and / or repeated measures. If the error is confirmed, an error is actually present, then a predefined reaction is executed and a predefined safe state is assumed. A predefined response is a predictable reaction in the event of an error, which is associated with corresponding messages.

Allerdings sind die Möglichkeiten zur Überwachung der Erfassungseinheit ASIC im Vergleich zur Überwachung des Mikrocontrollers deutlich geringer oder aber zumindest sehr aufwendig.However, the possibilities for monitoring the detection unit ASIC compared to the monitoring of the microcontroller are significantly lower or at least very expensive.

Dabei stellt die Erfassungseinheit in der Signalkette eine wesentliche Komponente dar. Sollte in der Messwerterfassung durch die Erfassungseinheit ein Fehler auftreten, wodurch verfälschte Messwerte an den nachgeschalteten Mikrocontroller geliefert werden, so kann es zu schwerwiegenden Schäden kommen, wenn der Leistungsschalters fehlerbedingt auslöst oder aber bei einer Überlast oder einem Kurzschluss nicht abschaltet.In this case, the detection unit in the signal chain is an essential component. Should an error occur in the measured value acquisition by the detection unit, whereby falsified measured values are supplied to the downstream microcontroller, it can lead to serious damage if the circuit breaker triggers due to faulty or at a Overload or a short circuit does not switch off.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Erfassungseinheit eines Leistungsschalters mit geringem technischem Aufwand auf ihre korrekte Funktion zu prüfen.The object of the invention is to check the detection unit of a circuit breaker with little technical effort on their correct function.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.The object is solved by the features of claim 1; the dependent claims represent advantageous embodiments.

Die Lösung sieht vor, dass der Mikrocontroller einen Analogeingang mit einem nachgeschalteten AD-Wandler aufweist, dass das Spannungssignal auf den Analogeingang geschaltet wird, dass der AD-Wandler aus dem Spannungssignal ein digitales zweites Messsignal bildet, anhand dessen der Mikrocontroller prüft, ob das erste Messsignal unter Berücksichtigung der geringeren Auflösung des zweiten Messsignals plausibel ist. Der AD-Wandler wird bei der Erfindung zur Überwachung der Messwerterfassung der Erfassungseinheit eingesetzt, indem die Messwerte zusätzlich jeweils parallel zur Erfassungseinheit und damit redundant erfasst (gemessen) werden. Die Signalaufbereitung für diesen Überwachungskanal (Parallelzweig) wird so ausgelegt, dass ebenfalls der gesamte Dynamikbereich der Erfassungseinheit abgedeckt ist, wobei selbstverständlich keine ganz so hohe Auflösung erreicht wird. Die aufgrund der Auflösung kleinere „Genauigkeit” der Messwerte reicht jedoch aus, um die Messwerte der Erfassungseinheit jeweils einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen.The solution provides that the microcontroller has an analog input with a downstream AD converter, that the voltage signal is switched to the analog input, that the AD converter from the voltage signal forms a digital second measurement signal, based on which the microcontroller checks whether the first Measuring signal under consideration of the lower resolution of the second measurement signal is plausible. The AD converter is used in the invention for monitoring the measured value detection of the detection unit by additionally recording (measuring) the measured values parallel to the detection unit and thus redundantly. The signal processing for this monitoring channel (parallel branch) is designed so that the entire dynamic range of the detection unit is also covered, of course, not so high resolution is achieved. However, the smaller "accuracy" of the measured values due to the resolution is sufficient to subject the measured values of the detection unit in each case to a plausibility check.

Parallel zum eigentlichen Messzweig der Erfassungseinheit ist also ein Überwachungskanal vorgesehen, der die Messwerte der Erfassungseinheit auf Plausibilität überwacht. Dadurch entfallen komplexe Überwachungen, die in die Erfassungseinheit integriert und vom Mikrocontroller oder einer anderen Elektronik ausgewertet werden müssten. Der Überwachungskanal mit dem AD-Wandler gewährleistet eine relativ einfache Überwachung der Erfassungseinheit, die ein wesentlicher Bestandteil der Signalkette und somit kritisch für die Systemintegrität ist. Dies genügt auch sicherheitsgerichteten Applikationen.Parallel to the actual measuring branch of the detection unit, therefore, a monitoring channel is provided which stores the measured values of the detection unit monitored for plausibility. This eliminates complex monitoring, which would have to be integrated into the detection unit and evaluated by the microcontroller or other electronics. The monitoring channel with the A / D converter ensures relatively simple monitoring of the detection unit, which is an essential part of the signal chain and thus critical to system integrity. This also satisfies safety-related applications.

Die zusätzliche Systemlast durch die Überwachung kann je nach Sicherheitsanforderung begrenzt werden, wenn die Häufigkeit der Überprüfung skaliert wird.The additional system load from the monitoring can be limited depending on the security requirement if the frequency of the check is scaled.

Der Platzbedarf für den Überwachungskanal kann gering gehalten werden, wenn der AD-Wandler bereits in den Mikrocontroller integriert ist.The space requirement for the monitoring channel can be kept low if the AD converter is already integrated in the microcontroller.

Vorteilhafterweise wird das Spannungssignal über den gesamten Dynamikbereich des vom Wandler erfassten Stroms in ein digitales erstes und zweites Messsignal umgewandelt.Advantageously, the voltage signal is converted over the entire dynamic range of the current detected by the converter into a digital first and second measurement signal.

Im Parallelzweig kommt ein Multiplexer zum Einsatz, wenn mehrere Überwachungskanäle auf eine kleinere Anzahl AD-Wandler geleitet werden, abhängig von der Bauart des Mikrocontrollers.In the parallel branch, a multiplexer is used if several monitoring channels are routed to a smaller number of AD converters, depending on the type of microcontroller.

Für die Überwachungskanäle kann je nach Anwendungsfall oder Fehlerwahrscheinlichkeit eine mehr oder weniger schnelle und/oder häufige Überprüfung implementiert werden. Damit kann die zusätzliche Belastung des Mikrocontrollers besser gesteuert werden.Depending on the application or probability of error, a more or less rapid and / or frequent check can be implemented for the monitoring channels. Thus, the additional burden of the microcontroller can be better controlled.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, dessen einzige Figur einen Signalpfad SP eines Leistungsschalters für Niederspannungen zeigt (im Folgenden kurz Schalter genannt), der zu einer Stromverteilungsanlage mit hohen Sicherheitsanforderungen (z. B. eines Kernkraftwerks) gehört. Der Schalter ist dreipolig dargestellt, kann aber auch eine andere Anzahl von Polen besitzen. Hier ist er mit vier Polkassetten ausgeführt und jeder Pol wird von einem Strom I1, I2, I3, IN (IN Neutralleiterstrom) durchflossen, wobei der stromführende Leiter L1, L2, L3, N (N Neutralleiter) jeweils durch die Polkassette des Schalters verläuft. Bei geschlossenem Schalter liegen Kontaktelemente K in Form von Kontaktstücken aneinander an, die zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Mittels am Leiter L1, L2, L3 angeordneter Wandler W1, W2, W3 und einer nachgeschalteten Signalaufbereitung (Integrator) SA wird der Strom I1, I2, I3 in ein stromproportionales analoges Spannungssignal U umgewandelt. Dieses Spannungssignal U umfasst den gesamten Dynamikbereich des Stroms I1, I2, I3, also auch den Kurzschlussbereich, in dem der Strom I1, I2, I3 sehr hohe Werte annimmt.The invention is described in more detail below with reference to a drawing, the single figure of which shows a signal path SP of a low-voltage circuit breaker (hereinafter referred to as switch) belonging to a power distribution system with high safety requirements (eg of a nuclear power plant). The switch is shown in three poles, but can also have a different number of poles. Here it is designed with four Polkassetten and each pole is traversed by a current I1, I2, I3, IN (IN neutral current), the current-carrying conductor L1, L2, L3, N (N neutral) respectively through the Polkassette the switch. When the switch is closed contact elements K in the form of contact pieces to each other, which are separated to open the switch from each other. By means of the conductor L1, L2, L3 arranged converter W1, W2, W3 and a downstream signal conditioning (integrator) SA, the current I1, I2, I3 is converted into a current-proportional analog voltage signal U. This voltage signal U comprises the entire dynamic range of the current I1, I2, I3, that is to say the short-circuit region in which the current I1, I2, I3 assumes very high values.

Zur Erfassung des Stroms I1, I2, I3 dient eine Erfassungseinheit IC, die das Spannungssignal U in ein (erstes) digitales Messsignal MS1, also eine Digitalzahl, umwandelt. Das Messsignal MS1 wird auf den Digitaleingang DE eines Mikrocontrollers uC gegeben, welcher zu einer elektronischen Auslöseeinheit ETU gehört und das Messsignal MS1 mit einem digitalen Stromgrenzwert vergleicht. Überschreitet das Messsignal MS1 den Stromgrenzwert, z. B. infolge eines Über- oder Kurzschlussstroms, löst die Auslöseeinheit ETU die Trennung der Kontaktelemente K (schematisch über eine Verbindung V) aus.For detecting the current I1, I2, I3, a detection unit IC is used, which converts the voltage signal U into a (first) digital measurement signal MS1, ie a digital number. The measurement signal MS1 is applied to the digital input DE of a microcontroller uC, which belongs to an electronic trip unit ETU and compares the measurement signal MS1 with a digital current limit value. If the measuring signal MS1 exceeds the current limit value, z. B. due to an over- or short-circuit current, tripping unit ETU triggers the separation of the contact elements K (schematically via a connection V).

Die Erfassungseinheit IC liefert Messwerte mit einer sehr hohen Auflösung.The detection unit IC delivers measured values with a very high resolution.

Parallel zur Erfassungseinheit IC wird das stromproportionale analoge Spannungssignal U auf einen AD-Wandler ADC (über Eingang AE) geleitet, der hier in den Mikrocontroller uC integriert ist. Der AD-Wandler ADC bildet aus dem Spannungssignal U ebenfalls ein digitales Messsignal MS2 (ein zweites Messsignal), das der Mikrocontroller uC mit dem ersten Messsignal MS1 vergleicht. Dabei weist das zweite Messsignal MS2 eine kleinere Auflösung als das erste Messsignal MS1 auf. Der Mikrocontroller uC überprüft deshalb, ob das erste Messsignal MS1 im Auflösungsbereich (Ungenauigkeitsbereich) des zweiten Messsignals MS2 liegt. Der absolute Ungenauigkeitsbereich ergibt sich jeweils aus dem zweiten Messsignal MS2 plus/minus dem Rundungsfehler. Liegt das erste Messsignal MS1 in diesem Bereich, so ist das erste Messsignal MS1 plausibel und die Erfassungseinheit IC wird als in Ordnung angesehen.Parallel to the detection unit IC, the current-proportional analog voltage signal U is passed to an AD converter ADC (via input AE), which is integrated here in the microcontroller uC. The AD converter ADC also forms from the voltage signal U a digital measuring signal MS2 (a second measuring signal) which the microcontroller uC compares with the first measuring signal MS1. In this case, the second measurement signal MS2 has a smaller resolution than the first measurement signal MS1. The microcontroller uC therefore checks whether the first measurement signal MS1 lies in the resolution range (inaccuracy range) of the second measurement signal MS2. The absolute inaccuracy range results in each case from the second measurement signal MS2 plus / minus the rounding error. If the first measurement signal MS1 lies in this range, then the first measurement signal MS1 is plausible and the detection unit IC is considered to be in order.

Es sind natürlich auch noch andere Plausibilitätsprüfungen anhand des zweiten Messsignals MS2 möglich. Der Vergleich unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Auflösung ist aber die einfachste Plausibilitätsprüfung.Of course, other plausibility checks based on the second measurement signal MS2 are also possible. However, the comparison considering the different resolution is the simplest plausibility check.

Da die Erfassungseinheit IC für die drei Leiter L1, L2, L3 mit den drei Stromwandlern W1, W2, W3 ausgelegt ist, weist die Erfassungseinheit IC drei Eingänge und drei Ausgänge auf.Since the detection unit IC is designed for the three conductors L1, L2, L3 with the three current transformers W1, W2, W3, the detection unit IC has three inputs and three outputs.

Diese Situation ist in der Figur dargestellt, wobei ein Multiplexer vorgesehen ist und der Mikrocontroller uC nur über einen Digitaleingang DE verfügt. Dabei werden die drei stromproportionalen analogen Spannungssignale U der drei Stromwandler W1, W2, W3 parallel zur Erfassungseinheit IC auf einen Multiplexer MP gegeben, der sie zeitlich nacheinander auf den integrierten AD-Wandler ADC (AE-Eingang) des Mikrocontrollers uC leitet. Der AD-Wandler ADC bildet aus den Spannungssignalen U jeweils ein digitales Messsignal (zweites Messsignal MS2), das der Mikrocontroller uC nacheinander jeweils mit den drei ersten Messsignalen MS1 der Erfassungseinheit IC vergleicht.This situation is shown in the figure, wherein a multiplexer is provided and the microcontroller uC has only one digital input DE. In this case, the three current-proportional analog voltage signals U of the three current transformers W1, W2, W3 are applied parallel to the detection unit IC on a multiplexer MP, which successively passes them to the integrated AD converter ADC (AE input) of the microcontroller uC. The AD converter ADC forms from the voltage signals U in each case a digital measuring signal (second measuring signal MS2), which the microcontroller uC successively compares with the three first measuring signals MS1 of the detecting unit IC.

Anstelle des Multiplexers MP kann selbstverständlich auch ein Mikrocontroller uC mit mehreren AE-Eingängen verwendet werden.Of course, instead of the multiplexer MP, a microcontroller μC with several AE inputs can also be used.

Sind die Messsignale MS1, MS2 nicht zueinander plausibel, so wird die gewünschte Fehlerreaktion ausgelöst.If the measurement signals MS1, MS2 are not mutually plausible, the desired error response is triggered.

Claims

Method for monitoring a switch, in particular a circuit breaker for low voltages, wherein the switch passes through a conductor (L1, L2, L3, N) through which a current flows (I1, I2, I3, IN), in which a detection unit (ASIC) Voltage signal (U) into a digital first measurement signal (MS1) converts, in which closed contact elements (K) of the switch abut each other, which are separated to open the switch, in which a conductor (L1, L2, L3, N) arranged Converter (W1, W2, W3) converts the current together with a downstream signal conditioning (SA) in a current-proportional analog voltage signal (U), in which a microcontroller (uC) of an electronic trip unit (ETU) when exceeding a predetermined current limit, in particular at a Over- and / or short-circuit current, the separation of the contact elements (K) triggers, and in which the first measurement signal (MS1) to the digital input (DE) of the microcontroller (uC ), characterized in that the microcontroller (uC) has an analog input (AE) with a downstream AD converter (ADC), that the voltage signal is connected to the analog input (AE), that the AD converter (ADC) off the voltage signal (U) is a digital second measurement signal (MS2), based on which the microcontroller (uC) checks whether the first measurement signal (MS1) is plausible taking into account the lower resolution of the second measurement signal (MS2).

A method according to claim 1, characterized in that the voltage signal (U) over the entire dynamic range of the converter (W1, W2, W3) detected current (I1, I2, I3, IN) in a digital first and second measurement signal (MS1, MS2 ) is converted.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency of the plausibility check is scaled.