DE102017009303A1 - Verfahren und Messanordnung zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz von Stromversorgungsnetzen - Google Patents

Abstract

Zur Messung der Impedanz des Stromversorgungsnetzes werden Testströme (IT) erzeugt und dem elektrischen Netz zugeschaltet, indem erfindungsgemäß während beider Halbwellen aktiver Netzperioden zu vorgegebenen Halbwellenphasenwinkeln (φ^) mit Hilfe von elektronischen Schaltern, wie Opto-Triacs (ST1, ST2) (1, 2) oder äquivalent funktionierenden Thyristorschaltungen oder Halbleiter-Leistungsschaltern, R-Testlasten (RT1) oder RC-Testlasten (RT2, CT2) mit Zeitkonstanten (τ) von 100 μs erzeugt werden, was in den zu messenden Impedanzen (Z v, Z n, Z 1 ... Z x, Z v,N↔PE, Z n,N↔PE) Stromänderungen und Spannungsänderungen mit breitbandigen Flanken erzeugt, die als Differenz der Strom- und Spannungsverläufe von aktiven Netzperioden und von Referenzperioden ohne Testlast-Zuschaltung gemessen werden, wobei die komplexe Division der Spektren der Spannungsänderungsverläufe durch die Spektren der Stromänderungsverläufe die gesuchten Impedanzspektren ergibt. Die erfindungsgemäße Messanordnung weist auf: Einen ersten Opto-Triac (ST1) (1), der mit einem Ohmschen R-Testlastwiderstand (R1) (3) verbunden ist und einen zweiten Opto-Triac (ST2) (2), der mit einem RC-Testlastwiderstand (4) verbunden ist, welcher aus einer Serienschaltung aus einem Ohmschen Widerstand (RT2) (5) und einem Kondensator (CT2) (6) besteht. Eine Steuereinheit (7) öffnet die beiden Opto-Triacs (ST1, ST2) (1, 2) zu vorgegebenen Halbwellenphasenwinkeln (φ^) und erzeugt auf diese Weise Testströme (IT) mit mehreren einander überlagerten Frequenzen. Ein Transientenrekorder zur Messung der Testströme (↗IT) (8) und mindestens ein Transientenrekorder (↗Iv) zur Messung der Ströme in den zu messenden Impedanzen (Z v, Z n, Z 1 ... Z x, Z v,N↔PE, Z n,N↔PE) sind mit den Opto-Triacs (ST1, ST2) (1, 2) verbunden und ein weiterer Transientenrekorder zur Messung der Messpunktspannung (↗UT) (9) ist zwischen den Polen eines Messpunktes angeordnet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz in Stromversorgungsnetzen zur Beurteilung des Netzzustands, nachfolgend als Diagnostische Impedanzmessung bezeichnet, wobei Testströme benutzt werden, die gleichzeitig mehrere einander überlagerte Frequenzen enthalten.
• Messungen der Impedanz des Stromversorgungsnetzes erfolgen alltäglich und dienen verschiedenen Zwecken. Wechselrichter in dezentralen Energieerzeugungsanlagen vollführen eine kontinuierliche und schnelle Impedanzmessung des Netzes, um im Falle ungewollter Verinselung die Einspeisung aus Sicherheitsgründen sofort zu beenden, siehe DE 19504271C1 , DE 19522496C1 , DE 19820965A1 , DE 19910288A1 , DE 10 2011 054 002 B4 . Ladeeinheiten von Elektroautos messen vor jedem Ladevorgang die Netzimpedanz, um Überlastungen des speisenden Netzes und/oder der Zuleitung zu vermeiden. In beiden Fällen reichen Impedanzmessungen bei oder nahe der Nennfrequenz des Netzes, wie auch in DE 10 2014 216 020 A1 beschrieben.
• Die Impedanz ist eine bestimmte, frequenzabhängige Messgröße. Messungen der Impedanz über einen bestimmten Frequenzbereich liefern als Ergebnis das Impedanzspektrum Z _ω dieses Frequenzbereichs. Das Impedanzspektrum des Stromversorgungsnetzes hängt von vielen Details des konkreten Netzes auf der speisenden und auf der Verbraucherseite in Bezug auf einen gegebenen Netzpunkt ab. Schon das Anschließen eines nicht eingeschalteten Verbrauchers kann die Netzimpedanz aufgrund seiner Entstörkondensatoren beeinflussen. Das Stromversorgungsnetz mit seiner Nennfrequenz von 50 Hz in Europa transportiert elektrische Energie gewollt wie ungewollt auch bei weit höheren Frequenzen.
• Trägerfrequenzanlagen speisen gezielt Signale zur Informationsübertragung ein, z. B. Rundsteuersignale bis 2 kHz, bis 9% der Nennspannung, einige KW, Babyfone ~100 kHz, wenige W und Powerline Communication 2 MHz bis 70 MHz, wenige W.
• Eine primär unbeabsichtigte, aber kaum vermeidbare Einspeisung höherer Frequenzen ins Netz erfolgt durch viele Betriebsmittel, sowohl durch Verbraucher als auch durch Generatoren. Einfache Gleichrichterschaltungen und Phasenanschnittsteuerungen erzeugen Oberschwingungsströme bei Vielfachen der Netzfrequenz bis ~5 kHz, getaktete Stromrichter erzeugen Ströme bei ihrer Taktfrequenz und deren Vielfachen bis ~1 MHz.
• Höherfrequente Elektroenergie kann in Stromversorgungsnetzen zu Fehlfunktionen führen. Kapazitäts- und Induktivitätsbelag von Netzleitungen sowie Betriebsmittel mit kapazitiver oder induktiver Charakteristik können in Stromversorgungsnetzen zu Resonanzen führen, deren Resonanzfrequenz und -güte mit dem Betriebszustand des Netzes stark variieren.
• Resonanzen können eine vorgesehene Informationsübertragung über das Netz durch Kurzschließen oder Blockieren der Trägerfrequenzsignale stören. Wenn die jeweiligen Resonanzfrequenzen angeregt werden, kommt es in Serienresonanzen zu überhöhter Spannungsbelastung, in Parallelresonanzen zu überhöhter Strombelastung von Betriebsmitteln. Steht genügend Anregungsenergie bei einer Resonanzfrequenz mit geringer Dämpfung zur Verfügung, kann es zum Ansprechen von Sicherungen sowie zur Überlastung und sogar zur Zerstörung von Betriebsmitteln kommen.
• Solch widrige Umstände treten in realen Netzen oft nur vorübergehend und zu unvorhersagbaren Zeitpunkten auf. Sie entziehen sich weitgehend einer rechnerischen Vorhersage, sind aber mit diagnostischen Impedanzmessungen analysierbar. Diagnostische Impedanzmessungen im Stromversorgungsnetz erfassen das Impedanzspektrum an einem gegebenen Netzanschlusspunkt und damit die Güte und Resonanzfrequenz von Resonanzstellen.
• Zahlreiche Typen von Betriebsmitteln arbeiten mit kondensatorgepufferten Zwischenstromkreisen, die nur während der Spannungsmaxima der Halbwellen über Gleichrichter nachgeladen werden. Während des Nachladens sind die Gleichrichterdioden durchgeschaltet, zu den anderen Zeiten der Halbwelle sperren sie. Während des geschlossenen Zustands der Dioden sind die Pufferkondensatoren vom Netz isoliert und haben folglich keinen Einfluss auf dessen Impedanz. Bei offenen Dioden sind die Pufferkondensatoren mit dem Netz verbunden und beeinflussen die Netzimpedanz. Bei Frequenzen deutlich oberhalb der Nennfrequenz, mit Periodendauern deutlich unterhalb der Nenn-Periodendauer des Netzes, ist daher zu erwarten, dass die Impedanz periodisch in Abhängigkeit vom Phasenwinkel der Netzspannung fluktuiert und dass dabei vorübergehend schädliche Resonanzen entstehen, die mit bisheriger Messtechnik nicht messbar sind.
• Das Prinzip von Impedanzmessungen in Stromversorgungsnetzen lässt sich wie folgt zusammenfassen: Jede Form der Messung einer elektrischen Impedanz Z beruht darauf, dass die in einem Prüfling von einem bekannten Teststrom hervorgerufene Spannungsänderung gemessen wird oder umgekehrt, dass die von einer bekannten Spannungsänderung hervorgerufene Stromänderung gemessen wird. Bei diagnostischen Impedanzmessungen an einem willkürlichen Messpunkt im Stromversorgungsnetz kann zwischen den Impedanzen beiderseits des Messpunktes, nämlich der Impedanz des vorgelagerten Netzzweigs Z _v und der Impedanz des nachgelagerten, lastseitigen Netzzweiges Z _n unterschieden werden. In 3-phasigen Netzen erfolgt die Messung der zusammengehörigen vorgelagerten Impedanzen Z _vLx und nachgelagerten Impedanzen Z _nLx durch technisch prinzipiell gleiche Vorrichtungen. Deswegen werden im Folgenden nur einphasige Impedanzmessungen betrachtet.
• Um Impedanzspektren zu messen, müssen Testströme mit allen interessierenden Frequenzen appliziert und die Spannungsänderungen bei diesen Frequenzen analysiert werden. Eine Übersicht und Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile der gängigsten Verfahren dazu findet sich bei
• – SANCHEZ, B. [et al.]: Basics of broadband impedance spectroscopy measurements using periodic excitations. In: Measurement Science and Technology, 23 (2012), S. 1–14 und
• – NAHVI, Manoochehr [et al.]: Electrical Impedance Spectroscopy Sensing for Industrial Processes. In: IEEE Sensors Journal, Vol. 9, Nr. 12, Dezember 2009. S. 1808–1816.
• Breitbandige diagnostische Impedanzmessungen in Stromversorgungsnetzen unterliegen darüber hinaus dem Zwang, selbst möglichst geringe Netzrückwirkungen zu erzeugen. Sie müssen ferner im normalen Betrieb des Netzes durchgeführt werden, da die untersuchten Phänomene, wie Resonanzen, essentiell vom Betriebszustand des Netzes abhängen.
• Um das Impedanzspektrum eines Stromversorgungsnetzes zu messen, kann man die Testströme der verschiedenen Frequenzen nacheinander einspeisen. Im Extremfall erfolgt dies mittels eines sinusförmigen Teststroms, der zu jedem Zeitpunkt nur eine Frequenz enthält, die langsam und kontinuierlich gewobbelt oder in Stufen variiert wird. Dieses klassische Verfahren wird heute noch zur Impedanzmessung des Netzes bei höheren Frequenzen ab ~1 MHz angewandt. Ein Nachteil dieser Methode ist die relativ lange Messdauer oder geringe Frequenzauflösung. Bei niedrigen Frequenzen ist es zudem oft schwierig, die vom Testsignal hervorgerufenen Spannungsänderungen vom unbeeinflussten Netzspannungsverlauf zu unterscheiden.
• Bekannt ist auch die Nutzung der Kompensationsströme Aktiver Netzfilter zur spektral auflösenden Messung der Impedanz zwischen einem Neutralleiter und den Außenleiter-Phasen, beispielsweise aus der JPH10111329 .
• Alternativ kann man Teststromverläufe nutzen, die gleichzeitig mehrere einander überlagerte Frequenzen enthalten. Aus DE 10018745 A1 ist bekannt, wie solche Teststromverläufe als strukturiertes Rauschen appliziert werden. Ein anderes Verfahren für die Erzeugung von Teststromverläufen, die viele einander überlagerte Frequenzen enthalten, ist vom Netzimpedanzmessgerät der Anmelderin „EWS 120” bekannt. Dieses Gerät schaltet per Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, auch IGBT genannt, eine Ohmsche Last pro Phase in pseudozufälligen Zeitabständen und mit pseudozufälliger Einschaltdauer ein und aus. Die so entstehenden Testströme I_T enthalten ein breitbandiges Frequenzgemisch mit annähernd gleicher Spektraldichte, das auch als weißes Rauschen bekannt ist. Die zugehörige Spannungsänderung errechnet sich als Differenz der Spannungsverläufe während inaktiver Referenzperioden ohne Testströme I_T minus der Spannungsverläufe von aktiven Perioden, während derer die Testströme I_T fließen. Die Dauer der Teststromverläufe des „EWS 120” beträgt einige 100 ms, während derer die Testströme pro Phasenleiter eine mittlere Verlustleistung von mehreren 100 W erzeugen. Darüber hinaus entstehen erhebliche Netzrückwirkungen: Das Spektrum der Teststromverläufe geht signifikant über das Band des untersuchten Impedanzspektrums, welches 3 Hz bis 20 kHz beträgt, hinaus und wird vom untersuchten Stromversorgungsnetz in erheblichem Maß abgestrahlt, was zu Rundfunkstörungen führen kann. Weil die Teststromverläufe über mehrere komplette Perioden bei Nennfrequenz mitteln, sind mit diesem Netzimpedanzmessgerät Variationen der Impedanz in Abhängigkeit vom Grundfrequenzphasenwinkel nicht messbar.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messanordnung zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz von Stromversorgungsnetzen zur Beurteilung des Netzzustands der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die erwähnten Nachteile vermieden werden und dass auch solche Impedanzen, wie vorübergehend auftauchende schädliche Resonanzen, gemessen werden können. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz von Stromversorgungsnetzen zu schaffen, die insbesondere auf einfache Weise bei sicherer Funktion platzsparender aufgebaut und flexibel eingesetzt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Schutzansprüchen 1 und 10 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Dieses Ziel wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass Testströme I_T mit mehreren einander überlagerten Frequenzen dadurch erzeugt werden, dass dem elektrischen Netz während beider Halbwellen aktiver Netzperioden zu vorgegebenen Halbwellenphasenwinkeln φ_^ mit Hilfe von Elektronischen Schaltern S_T, wie Opto-Triacs S_T1, S_T2 oder äquivalent funktionierenden Thyristorschaltungen oder Halbleiter-Leistungsschaltern, R-Testlasten R_T1 oder alternativ RC-Testlasten R_T2, C_T2 zugeschaltet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass sich diese Elektronischen Schaltern S_T, vorzugsweise Opto-Triacs S_T1, S_T2 wie selbsthaltende Taster verhalten, die, einmal eingeschaltet, so lange leitend bleiben, bis ein typspezifischer Haltestrom unterschritten wird. Danach sind sie nichtleitend, bis sie wieder eingeschaltet werden. Die Zuschaltung der Testlasten erzeugt in den zu messenden Impedanzen Z _v, Z _n, Z ₁, ... Z _x, Z _v,N↔PE, Z _n,N↔PE Stromänderungen und Spannungsänderungen mit breitbandigen Flanken, die als Differenz der Strom- und Spannungsverläufe von aktiven Netzperioden und von Referenzperioden ohne Testlast-Zuschaltung gemessen werden, wobei die komplexe Division der Spektren der Spannungsänderungsverläufe durch die Spektren der Stromänderungsverläufe die gesuchten Impedanzspektren ergibt.
• Erfindungsgemäß weisen die mit RC-Testlasten R_T2, C_T2 erzeugten Strompulse und Spannungspulse Zeitkonstanten τ in der Größenordnung 100 μs auf und sind damit in der Pulsdauer um etwa den Faktor 20 kürzer als die Netzperiodendauer. Dadurch geben die erhaltenen Spektren die Impedanz Z zum Zeitpunkt des Halbwellenphasenwinkels φ_^ der führenden Testpulsflanke wieder. Zwischen den Einzelmessungen werden die Halbwellenphasenwinkel φ_^ automatisch variiert, wodurch man die Impedanzspektren als Funktion des Halbwellenphasenwinkels φ_^ erhält.
• Erfindungsgemäß können mittels mehrerer parallel geschalteter RC-Testlasten kürzerer Zeitkonstante τ von beispielsweise 30 μs, die im Abstand weniger Zeitkonstanten τ über separate Triacs S_T, äquivalent funktionierende Thyristorschaltungen oder andere Halbleiter-Leistungsschalter zugeschaltet werden, auch als Burst bezeichnete Folgen aus mehreren Pulsen, eingesetzt werden, die einen relativ größeren Anteil höherer Frequenzen enthalten, was in den gemessenen Impedanzspektren ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis bei den höheren Frequenzen bewirkt. Weil dabei jedoch die spektralen Anteile der höheren Frequenzen auf mehrere Pulsflanken zurückzuführen sind, wird die Zuordnung zum Halbwellenphasenwinkel φ_^ unschärfer.
• Die erfindungsgemäße Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist in einem ein- oder mehrphasigen Stromversorgungsnetz mindestens zwei Opto-Triacs auf, wobei der erste Opto-Triac S_T1 mit einem Ohmschen Testlastwiderstand verbunden ist und der zweite Opto-Triac S_T2 mit einem RC-Testlastwiderstand verbunden ist, der aus einer Serienschaltung aus einem Ohmschen Widerstand und einem Kondensator besteht und wobei eine Steuereinheit die beiden Opto-Triacs S_T1, S_T2 durchschaltet und auf diese Weise Testströme I_T mit mehreren einander überlagerten Frequenzen zu vorgegebenen Halbwellenphasenwinkeln φ_^ erzeugt. Zur Messung der Testströme I_T sind
• – ein Transientenrekorder zur Messung der Testströme ↗I_T und
• – mindestens ein Transientenrekorder zur Messung der Ströme aus dem vorgelagerten Netz zum Messpunkt ↗I_v in den zu messenden Impedanzen Z _v, Z _n, Z ₁ ... Z _x, Z _v,N↔PE, Z _n,N↔PE
mit den Opto-Triacs S_T1, S_T2 verbunden und ein weiterer Transientenrekorder zur Messung der Messpunktspannung U_T ist zwischen den Polen eines Messpunktes angeordnet.
• Alternativ können an Stelle des zweiten Opto-Triacs S_T2 eine Mehrzahl von Serienschaltungen aus jeweils einem Opto-Triac und einem RC-Testwiderstand parallel geschaltet sein und kurz hintereinander zugeschaltet werden zur Erzeugung von einem Burst von Impulsen, der einen relativ größeren Anteil höherer Frequenzen enthält.
• Die Messbereiche der Transientenrekorder, insbesondere der Transientenrekorder zur Strommessung (↗I_v, ↗I_T, ↗I_n, ↗I₁, ↗I₂, bis ↗I_X) sind dynamisch oder statisch umschaltbar ausgeführt. Auf diese Weise sind die Stromänderungen zur Impedanzberechnung in allen Betriebszuständen mit einem optimalen Signal-Rausch-Verhältnis erfassbar.
• Erfindungsgemäß können Stromänderungen mehrerer zu messender Impedanzen Z_v, Z_n, Z₁ ... Z_x verrechnet werden, um die gemeinsame Impedanz mehrerer willkürlich wählbarer Netzzweige zu bestimmen. So lassen sich beispielsweise Parallelresonanzen bestimmen, die dadurch entstehen, dass sich ein mit dem Messpunkt verbundener Netzzweig kapazitiv und ein anderer induktiv verhält, wobei die zwischen den Zweigen pendelnden Blindströme durch den Messpunkt fließen.
• Erfindungsgemäß sind auch der Ohmsche R-Testlastwiderstand und der RC-Testlastwiderstand in ihren Werten statisch oder dynamisch verstellbar ausgeführt, damit für jeden Betriebszustand und jede Impedanz Z des jeweils untersuchten Netzknotens bei einer optimalen Spannungsänderung ΔU_T für ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis bei minimaler Verlustleistung und Netzrückwirkung eingestellt werden kann.
• Erfindungsgemäß können an Stelle der beiden Opto-Triacs S_T1, S_T2 äquivalent funktionierende Thyristorschaltungen oder äquivalent funktionierende Halbleiter-Leistungsschalter zum Einsatz kommen.
• Die Erfindung wird im Folgenden noch anhand der in den Zeichnungen auszugsweise und teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• 1 zeigt dabei das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Diagnostischen Impedanzmessung in einem einphasigen Stromversorgungsnetz. Die elektronischen Schalter, hier Opto-Triacs S_T1, S_T2 oder damit äquivalent funktionierende Thyristorschaltungen oder äquivalent funktionierende Halbleiter-Leistungsschalter sind zum besseren Verständnis hier und in den folgenden Abbildungen vereinfacht als Symbole für Schalter dargestellt.
• 2 verdeutlicht den zeitlichen Zusammenhang der Rohdaten von Messpunktspannung U_T, dargestellt im oberen Bereich, Testströmen I_T durch RC-Testlast, dargestellt im mittleren Bereich und Strömen in dem nachgelagerten, lastseitigen Netzzweig I_n, dargestellt im unteren Bereich, wobei der nachgelagerte lastseitige Netzzweig I_n aus einem Verbraucher, hier einer Parallelschaltung einer 60-W Glühlampe und einem Computer-Netzteil besteht.
• 3 zeigt gemittelte Verläufe von Messpunktspannung U_T, Teststrom I_T durch RC-Testlast und Strom in dem nachgelagerten, lastseitigen Netzzweig I_n aus den Rohdaten der aktiven Perioden eines Durchlaufs.
• 4 weist zum Vergleich miteinander zwei bildliche Darstellungen auf und zeigt links zeitlich gestreckte Verläufe von U_T, I_T und I_n wie in 3 und rechts durch Subtraktion der Signale von Referenzperioden daraus berechnete Verläufe von Spannungsänderungen ΔU_T und Stromänderungen ΔI_n im nachgelagerten, lastseitigen Netzzweig I_n, sowie die per Logistik-Funktion realisierten Übergänge zu den geglätteten Signalbereichen außerhalb der Testpuls-Zeit.
• 5 zeigt das Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Diagnostischen Impedanzmessung in einem Netzknoten mit X Abzweigen in einer einphasigen Darstellung.
• 6 zeigt das Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Messung der Impedanzen Z zwischen Neutralleiter N und geerdetem Schutzleiter vor dem Anschlusspunkt Z _v,N↔PE und hinter dem Anschlusspunkt Z _n,N↔PE.
• 7 weist zwei bildliche Darstellungen zum Vergleich miteinander auf und zeigt in beiden bildlichen Darstellungen Impedanzbeträge als Funktion von Frequenzen 600 Hz bis 32 kHz und von Halbwellenphasenwinkeln φ_^ 30° bis 150°, mit
• – Impedanzbeträgen im Bereich 1 Ω bis 15 Ω in der linken bildlichen Darstellung des vorgelagerten Netzzweigeses Z _v und
• – Impedanzbeträgen im Bereich 10 Ω bis 750 Ω in der rechten bildlichen Darstellung des nachgelagerten, lastseitigen Netzzweiges Z _n.
• 8 weist zwei bildliche Darstellungen zum Vergleich miteinander auf und zeigt in beiden bildliche Darstellungen von Impedanzbeträgen als Funktion der Frequenzen 600 Hz bis 32 kHz analog 7, jedoch bei Halbwellenphasenwinkeln von φ_^ = 47°, 93° und 141°,
• – links, Impedanz im vorgelagerten Netzzweig Z _v und
• – rechts, Impedanz im nachgelagerten, lastseitigen Netzzweig Z _n.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messanordnung zur Impedanzmessung nach den 1 bis 8 arbeiten mit Testströmen I_T, die zahlreiche Frequenzen gleichzeitig enthalten. Zur Erzeugung der Testströme I_T werden dem elektrischen Netz an einem Messpunkt der Messanordnung nach 1 über eine Steuereinheit 7, welche geeignete, bis zur Unterschreitung ihres Haltestromes selbst offenhaltende elektronische Schalter 1, 2 einschaltet, alternativ R- bzw. RC-Testlasten hinzugefügt. In diesem Ausführungsbeispiel kommen als elektronische Schalter 1, 2 Opto-Triacs S_T1, S_T2 zum Einsatz. Es wird entweder mittels eines ersten Opto-Triacs S_T1 1, der mit einem Ohmschen R-Testlastwiderstand 3 verbunden ist, eine Ohmsche R-Testlast R_T1 zugeschaltet oder mittels eines zweiten Opto-Triacs S_T2 2, der mit einem RC-Testlastwiderstand 4 verbunden ist, eine RC-Testlast R_T2, C_T2 zugeschaltet, wobei der RC-Testlastwiderstand 4 aus einer Serienschaltung aus einem Ohmschen Widerstand 5 und einem Kondensator 6 besteht. Die Zuschaltung erfolgt während beider Halbwellen einer aktiven Netzperiode bei dem gleichen Halbwellenphasenwinkel φ_^, wobei der Halbwellenphasenwinkel φ_^ der auf den jeweiligen Spannungs-Halbwellenbeginn bezogene Phasenwinkel ist.
• Anstelle der beiden Opto-Triacs S_T1 1 und S_T2 2 können erfindungsgemäß auch äquivalent funktionierende Thyristorschaltungen S_T1, S_T2 oder Halbleiter-Leistungsschalter S_T1, S_T2 zum Einsatz kommen.
• Die beiden Opto-Triacs 1, 2 sind mit einem Transientenrekorder zur Messung der Testströme ↗I_T 8 verbunden. Der Teststrom I_T verändert die Messpunktspannung U_T um den Betrag ΔU_T, was wiederum den Strom aus dem vorgelagerten Netzzweig I_v und den Strom in dem nachgelagerten Netzzweig I_n um die Beträge ΔI_v und ΔI_n verändert. Die Messpunktspannung U_T, der Strom aus dem vorgelagerten Netzzweig I_v und der Strom in den nachgelagerten Netzzweig I_n werden als Zeitverläufe gemessen. Die Abtastfrequenz muss nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem mindestens zweimal so hoch sein wie die höchste in den zu messenden Impedanzspektren vorkommende Frequenz. Dazu dienen folgende synchron aufzeichnende Transientenrekorder: Transientenrekorder 9 zur Messung der Spannung im Messpunkt ↗U_T, Transientenrekorder 10 zur Messung des Stroms aus dem vorgelagerten Netz zum Messpunkt ↗I_v, Transientenrekorder 11 zur Messung des Stroms in dem nachgelagerten, lastseitigen Netzzweig ↗I_n und Transientenrekorder 8 zur Messung des Teststroms durch die R-Testlast R_T1 oder durch die RC-Testlast ↗I_T. Einer der beiden Transientenrekorder ↗I_v, ↗I_n 10, 11 kann entfallen, da wegen I_v + I_n + I_T = 0 entweder I_v oder I_n jeweils als I_v = –(I_T + I_n) bzw. I_n = –(I_T + I_v) aus den Transienten der jeweils anderen zwei Transientenrekorder zu berechnen ist. Der Transientenrekorder 8 zur Messung des Teststroms durch die R-Testlast R_T1 oder durch die RC-Testlast ↗I_T kann den Verlauf des Teststroms I_T direkt messen. Der Teststrom I_T sollte direkt gemessen werden, weil damit der Zeitpunkt der Teststrom-Einsätze direkt und genau zu erfassen ist. Die von den Testströmen I_T verursachten transienten Verläufe der Spannungs- und Stromänderungen ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n erhält man durch Subtraktion der Transienten während inaktiver Referenznetzperioden ohne Teststrom-Fluss von den Spannungs- und Stromtransienten aktiver Netzperioden, während derer der Teststrom I_T geflossen ist. Die Referenznetzperioden sollten zeitlich möglichst nahe bei den aktiven Netzperioden liegen, damit zwischen aktiven und Referenz-Netzperioden im Netz möglichst wenige Laständerungen passieren. Solche Laständerungen gehen als Verfälschung in die Berechnung von ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n ein.
• Eine Spektralanalyse der Verläufe der Spannungs- und Stromänderungen ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n mittels der schnellen Fourier-Transformation, auch FFT genannt, liefert die Spektren der Spannungs- und Stromtransienten ΔU_T,ω, ΔI_v,ω und ΔI_n,ω. Eine Verrechnung, z. B. durch komplexe Division dieser Spektren, liefert die gesuchten Impedanzspektren Z _v,ω bzw. Z _n,ω der Impedanzen des vorgelagerten Netzes Z _v,ω und des nachgelagerten Netzes Z _n,ω nach den Gleichungen Z _v,ω = ΔU_T,ω/ΔI_v,ω und Z _n,ω = ΔU_T,ω/ΔI_n,ω
• Die unterschiedlichen Testlasten R_T1 sowie R_T2 und C_T2 dienen der Messung verschiedener Frequenzanteile des Impedanzspektrums.
• Der erste Opto-Triac S_T1 1 und der Ohmsche R-Testlastwiderstand 3 mit der R-Testlast R_T1 bilden eine klassische Dimmer Phasenanschnittsteuerung. Der erste Teststrom I_T1 durch die Ohmsche R-Testlast R_T1, beginnt beim Schließen des ersten Opto-Triacs S_T1 1 mit einer steilen Flanke und fließt, bis der Haltestrom kurz vor dem nächsten Spannungsnulldurchgang unterschritten wird und der erste Opto-Triac S_T1 1 wieder öffnet. Die dabei erhaltenen Spektren der Spannungs- und Stromtransienten ΔU_T,ω, ΔI_v,ω und ΔI_n,ω eignen sich vorzugsweise zur Messung der niederfrequenten Anteile des Impedanzspektrums. Die Einschaltflanke des ersten Teststroms I_T1 enthält zwar ein weites Spektrum an Frequenzen, aber relativ weniger höhere Frequenzanteile als der zweite Teststrom I_T2, der durch den RC-Testlastwiderstand 4 fließt.
• Der zweite Teststrom I_T2 beginnt wie der erste Teststrom I_T1 mit einer steilen Flanke, deren Höhe vom Halbwellenphasenwinkel φ_^ abhängt, klingt dann aber mit der RC-Zeitkonstante ab, bis der Haltestrom unterschritten wird und der zweite Opto-Triac S_T2 2 wieder öffnet.
• Da die Dauer des zweiten Teststroms I_T2 deutlich kürzer als die Halbwellendauer der Netzfrequenz ist, lassen sich das Impedanzspektrum des vorgelagerten Netzes Z _v,ω und das Impedanzspektrum des nachgelagerten Netzes Z _n,ω für verschiedene Halbwellenphasenwinkel φ_^ separat bestimmen.
• Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte dienen dazu, die Messgenauigkeit deutlich zu verbessern bzw. bei gleicher Genauigkeit die Messdauer zu verkürzen oder die nötige Verlustleistung zu reduzieren.
• Zur Berechnung der Impedanz Z bis 50 kHz ist nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem eine Abtastfrequenz von mindestens 100 kHz nötig. Um aber die Spektren der Spannungs- und Stromtransienten ΔU_T,ω, ΔI_v,ω und ΔI_n,ω ohne Artefakte schnell per FFT berechnen zu können, muss die Dauer einer oder mehrerer ganzzahliger Perioden der Grundschwingung mit genau 2^N Samples abgetastet werden. Zur Berechnung der Impedanz Z bis 50 kHz müsste daher bei genau 50 Hz Netzfrequenz eine Abtastfrequenz F_abt,soll von 102,400 kHz gewählt werden. Die Abtastfrequenz F_abt,soll ist den Abweichungen der Netzfrequenz von 50 Hz proportional nachzuführen. Das lässt sich über eine Steuerung von A/D-Wandlern mittels Phasenregelschleife, auch als PLL bezeichnet, erreichen. Erfolgt die Digitalisierung der Ströme und Spannungen statt mit einer PLL mit preisgünstigen, mehrkanaligen Transientenrekordern mit diskreten, festen Abtastraten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mittels eines im Folgenden als Marshalling bezeichneten Verfahrens das Verhalten einer PLL rechnerisch weitgehend nachzubilden. Dazu werden die Messpunktspannung U_T, der Teststrom I_T, der Strom aus dem vorgelagerten Netzzweig I_v oder der Strom aus dem nachgelagerten Netzzweig I_n mit einem mehrfachen, aber nicht notwendigerweise ganzzahligen Vielfachen, dem 4-fachen und mehr, von der Abtastfrequenz F_abt,soll abgetastet. In den mit diesem, auch als Überabtastung oder Oversampling bekannten Verfahren gewonnenen Rohsamples der Messpunktspannung U_T werden mittels linearer Regression die genauen Zeitpunkte der Spannungsnulldurchgänge und damit nebenbei die aktuelle Netzfrequenz bestimmt. Daraus werden die virtuellen Abtastzeiten berechnet, die nötig sind, damit genau 2^N Samples – zum Beispiel 2048 – in die tatsächliche Netzperiodendauer passen. Eine Lineare Interpolation im gleitenden Mittelwert der überabgetasteten Daten von U_T, I_T, I_v und I_n ergibt dann die Abtastwerte von U_T, I_T, I_v und I_n zu den virtuellen Abtastzeiten, im Folgenden als U_T ^m, I_T ^m, I_v ^{m und} I_n ^m bezeichnet.
• Die Opto-Triacs S_T1 1 oder S_T2 2 oder die äquivalent funktionierenden Thyristorschaltungen oder Halbleiter-Leistungsschalter zum Zuschalten des Ohmschen R-Testlastwiderstands 3 mit der R-Testlast R_T1 oder des RC-Testlastwiderstands 4 mit der RC-Testlast R_T2, C_T2 schließen nicht exakt zum vorgesehenen Halbwellenphasenwinkel φ_^. Eine Ursache für diesen technisch bedingten Phasenjitter von bis zu etwa 2° ist die Unsicherheit der Bestimmung der Zeiten der Spannungs-Nulldurchgänge durch die Steuerschaltung der Steuereinheit 7, in den 1, 5 und 6 mit Δφ_^ bezeichnet. Diese Unsicherheit ergibt sich unter anderem aus Abweichungen des Netzspannungsverlaufs realer Netze von der Sinusform und dem etwas unterschiedlichen Verhalten von Opto-Triacs 1, 2 während positiver und negativer Halbwellen.
• Das Rauschen in den gewonnenen Impedanzspektren lässt sich auf zwei Arten vermindern: Durch größere Testströme I_T, was mehr Verlustleistung und mehr Netzrückwirkungen verursacht und durch Averagen mehrerer Verläufe der Spannungs- und Stromänderungen ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n, was zu längeren Messdauern führt.
• Direktes Averagen mehrerer Verläufe der Spannungs- und Stromänderungen ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n zur Rauschminderung führt wegen des Phasenjitters des Halbwellenphasenwinkels φ_^. zu Fehlern. Die gemittelten Verläufe von ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n wären verschmiert und abgerundet und würden dadurch ein stark tiefpassgefiltertes Spektrum aufweisen. Daher hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Zeitverläufe der Halbwellen vor der Summierung zum Averagen so zu verschieben, dass die führenden Flanken im Teststrom I_T bei der Mittelung zusammenfallen.
• In den erfindungsgemäßen Messanordnungen nach den 1, 5 und 6 sind die Transientenrekorder 9 zur Messung der Messpunktspannung ↗U_T zwischen den Polen eines Messpunktes angeordnet. Auch haben sich bei den Durchlaufen mit Schaltungen mit dem zweiten Opto-Triac S_T2 2 die in 2 gezeigten Schaltmuster aus acht Netzperioden als zweckmäßig erwiesen. Der zweite Opto-Triac S_T2 2 wurde während beider Halbwellen der Perioden Eins, Drei, Fünf und Sieben bei gleichem Halbwellenphasenwinkel φ_^ geschlossen. Die Perioden Zwei, Vier, Sechs und Acht dienten als Referenznetzperioden. Die so erhaltenen vier Verläufe der Spannungs- und Stromänderungen ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n, wurden, wie beschrieben, auf die führenden Flanken zentriert geaveragt, dargestellt in den 3 und 4. Falls Spektralinformationen mehrerer solcher Durchlaufe mit nominal identischen Halbwellenphasenwinkeln φ_^ verfügbar waren, wurden diese ebenfalls gemittelt.
• Das Rauschen in den gewonnenen Impedanzspektren lässt sich weiter reduzieren, indem in Transienten mit Testströmen durch den RC-Testlastwiderstand 4 die Signalanteile von ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n außerhalb der Testpulszeiten geglättet bzw. auf Null gesetzt werden, siehe 4. Signalsprünge im Übergangsbereich zu den geglätteten Signalanteilen könnten nicht vorhandene Frequenzanteile in den Spektren vortäuschen. Deshalb nimmt die Wichtung des ungefilterten Signals im Übergangsbereich zu den geglätteten Signalanteilen entsprechend einer Logistik-Funktion zu bzw. ab, dargestellt in 4.
• Die in 5 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung funktioniert auch in Netzknoten mit einer größeren Anzahl X von Abzweigen, wenn die Stromverläufe aller Abzweige einzeln erfasst werden. Eine Unterscheidung in generatorseitige und verbraucherseitige Abzweige ist nicht nötig. Somit funktioniert diese Ausführungsform auch in Netzknoten, in die viele dezentrale Energieerzeugungsanlagen einspeisen. Lediglich mindestens einer der Abzweige muss eine formal als innenwiderstandfrei betrachtete Wechselspanungsquelle ~_v, ~_n, ~₁, ~_x aufweisen.
• Eine weitere, in 6 skizzierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung misst nicht, wie oben beschrieben, die vor- und nachgelagerten Impedanzen Z _v und Z _n des speisenden Stromkreises, sondern die eines anderen Stromkreises, der nur mindestens am Messpunkt mit dem speisenden Stromkreis verbunden sein muss. Das Beispiel in 6 zeigt dies am Beispiel der dem Messpunkt vor- und nachgelagerten Impedanzen Z _v,N↔PE und Z _n,N↔PE zwischen Neutralleiter N und PE-Schutzleiter. Spannungs- und Stromänderungen ΔU_T, ΔI_v und ΔI_n müssen dazu, wie oben beschrieben, im Kreis zwischen Neutralleiter N und PE-Schutzleiter gemessen werden.
• In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung analog 5 sind die Messbereiche der Transientenrekorder, insbesondere der Transientenrekorder zur Strommessung ↗I_v, ↗I_T, ↗I_n, ↗I₁, ↗I₂, bis ↗I_X dynamisch oder statisch umschaltbar, um die Stromänderungen zur Impedanzberechnung in allen Betriebszuständen mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis erfassen zu können.
• In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung analog 5 werden die Messwerte einer Auswahl mehrerer Transientenrekorder zur Strommessung ↗I_v, ↗I_T, ↗I_n, ↗I₁, ↗I₂, bis ↗I_X zu jeweils einer Stromänderung verrechnet, um so die gemeinsame Impedanz der gewählten Kanäle zu bestimmen. Das vereinfacht beispielsweise die Erkennung von Parallelresonanzen, die dadurch entstehen, dass sich ein mit dem Messpunkt verbundener Netzzweig kapazitiv und ein anderer induktiv verhält, wobei die zwischen den Zweigen pendelnden Blindströme durch den Messpunkt fließen.
• In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung sind die Ohmsche R-Testlast R_T1 und die RC-Testlast aus R_T2 und C_T2 in ihren Werten an Betriebszustand und Impedanz des untersuchten Netzknotens statisch oder dynamisch anpassbar. Kleinere Testlast-Widerstände bewirken mehr Verlustleistung und mehr störende Netzrückwirkungen, bewirken aber auch ein größeres ΔU_T und damit ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Die Spannungsänderung ΔU_T hängt darüber hinaus von den mit dem untersuchten Netzknoten verbundenen Impedanzen ab. Eine Variation der Testlast-Werte erlaubt daher eine Optimierung des Arbeitspunktes in diesem Zielkonflikt.
• Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Lösung folgende Vorteile auf:
• – Die Spektraldichte der erfindungsgemäß zur Impedanzmessung genutzten Testpulsströme nimmt zu höheren Frequenzen hin stark ab und ist außerhalb des untersuchten Frequenzbereichs vernachlässigbar. Dies ist zweckmäßig, denn in Stromversorgungsnetzen nehmen das Strom- und Spannungsrauschen mit der Frequenz ab, die Abstrahlung der leitungsgebundenen Energie in den Raum aber zu. So ist das Signal-Rausch-Verhältnis innerhalb des Frequenzbereichs der Impedanzspektren angepasst, während die Störungen durch Abstrahlung minimiert sind. Beides trägt auch dazu bei, dass die zur Messung nötige mittlere Verlustleistung gegenüber dem Messgerät der Anmelderin „EWS 120” erheblich reduziert ist, nämlich in Niederspannungsnetzen auf größenordnungsmäßig wenige 10 W pro Phase. So kann ein Gerät für diagnostische Impedanzmessungen in Niederspannungsnetzen hutschienentauglich und damit schaltschrankfreundlich aufgebaut werden. Die erfindungsgemäße Messanordnung schaltet die Testpulsströme nicht wie das „EWS 120” mit IGBTs, sondern mit Opto-Triacs 1, 2 oder mit äquivalent funktionierenden Thyristorschaltungen oder mit äquivalent funktionierenden Halbleiter-Leistungsschaltern. Triacs, Thyristoren und Halbleiter-Leistungsschalter sind robuste Bauelemente, die auch für große Spannungen und Ströme günstig verfügbar sind. Ein Scale-Up für Netze mit höheren Leistungen ist daher unter Beibehaltung des Messverfahrens mit relativ geringem Aufwand möglich.
• – Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Impedanz Z als Funktion des Halbwellenphasenwinkels φ_^ zu bestimmen. Die Relevanz dieser Möglichkeit zeigt sich schon mit einer testweise realisierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Verifikation des Verfahrens. Damit wird unter bestimmten Bedingungen eine ausgeprägte, systematische Variation von Z mit φ_^ gefunden, ausgeführt in den 7 und 8. Bei bestimmten Frequenzen ändert sich der Impedanzbetrag |Z| mit dem Halbwellenphasenwinkel φ_^ um mehr als den Faktor 25.
• – Während einer Messung treten nur ein physikalisch unvermeidbares Minimum an Netzrückwirkungen im elektrischen Netz auf.
• – Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Messanordnung können in Netzleitungen mit kapazitiver oder induktiver Charakteristik auch solche Resonanzen gemessen werden, deren Resonanzfrequenz und -güte mit dem Betriebszustand und/oder mit dem Phasenwinkel der Grundschwingung des Netzes stark variieren.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Messanordnung zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz in Stromversorgungsnetzen kann rechtzeitig vor drohenden Schäden durch sporadisch auftretende Resonanzen gewarnt werden. Auch werden Vorhersagen, ob die Taktimpuls-Aussendungen von Stromrichtern mit einem gegebenen Netzsegment kompatibel sind oder nicht, möglich. Sind Topologie und Verschaltung der Betriebsmittel in einem Teilnetz bekannt, kann vom Impedanz-Verlauf auf Betriebs- und Fehlerzustände im Umfeld des Messpunktes geschlossen werden. Das gilt für die Impedanz zwischen den Innen- und Außenleitern von Drehstromnetzen und für die Impedanz zwischen Erde und IT-Netzen.
• Bezugszeichenliste

1

erster Opto-Triac S_T1 oder erste äquivalent funktionierende Thyristorschaltung oder erster äquivalent funktionierender Halbleiter-Leistungsschalter

2

zweiter Opto-Triac S_T2 oder zweite äquivalent funktionierende Thyristorschaltung oder zweiter äquivalent funktionierender Halbleiter-Leistungsschalter

3

Ohmscher R-Testlastwiderstand

4

RC-Testlastwiderstand

5

Ohmscher Widerstand

6

Kondensator

7

Steuereinheit Δφ_^

8

Transientenrekorder zur Messung der Testströme durch die R- oder RC-Testlast ↗I_T

9

Transientenrekorder zur Messung der Spannung im Messpunkt ↗U_T

10

Transientenrekorder zur Messung des Stroms aus dem vorgelagerten Netz zum Messpunkt ↗I_v

11

Transientenrekorder zur Messung des Stroms in dem nachgelagerten, lastseitigen Netzzweig ↗I_n

φ_^

Halbwellenphasenwinkel

Δφ_^

Steuereinheit 7, welche S_T1 oder S_T2 bei vorprogrammierten Halbwellenphasenwinkeln φ_^ durchschaltet

Z _v

Impedanz des vorgelagerten Netzzweiges

Z _n

Impedanz des nachgelagerten, lastseitigen Netzzweiges

Z _v,N↔PE

Impedanz zwischen Neutralleiter und Schutzerde des vorgelagerten Netzzweiges

Z _n,N↔PE

Impedanz zwischen Neutralleiter und Erde des nachgelagerten, lastseitigen Netzzweiges

~_v

Leerlaufspannung des vorgelagerten Netzzweiges

~_n

Leerlaufspannung des nachgelagerten, lastseitigen Netzzweiges

I_v

Strom aus dem vorgelagerten Netz zum Messpunkt

I_T

Teststrom; Strom durch die R- oder RC-Testlast

I_n

Strom in den nachgelagerten (lastseitigen) Netzzweig

↗I₁, ↗I₂, ... ↗I_X

Transientenrekorder zur Messung der Ströme in den X Abzweigen eines Netzknotens

R_T1

Ohmsche R-Testlast

R_T2

Ohmscher Anteil der RC-Testlast

C_T2

Kapazitiver Anteil der RC-Testlast

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19504271 C1 [0002]
• DE 19522496 C1 [0002]
• DE 19820965 A1 [0002]
• DE 19910288 A1 [0002]
• DE 102011054002 B4 [0002]
• DE 102014216020 A1 [0002]
• JP 10111329 [0014]
• DE 10018745 A1 [0015]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• SANCHEZ, B. [et al.]: Basics of broadband impedance spectroscopy measurements using periodic excitations. In: Measurement Science and Technology, 23 (2012), S. 1–14 und [0011]
• NAHVI, Manoochehr [et al.]: Electrical Impedance Spectroscopy Sensing for Industrial Processes. In: IEEE Sensors Journal, Vol. 9, Nr. 12, Dezember 2009. S. 1808–1816 [0011]

Claims (14)

1. Verfahren zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz in Stromversorgungsnetzen zur Beurteilung des Netzzustands, wobei Testströme (I_T) genutzt werden, die gleichzeitig mehrere einander überlagerte Frequenzen enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Testströme (I_T) mit mehreren einander überlagerten Frequenzen dadurch erzeugt werden, dass dem elektrischen Netz während beider Halbwellen aktiver Netzperioden zu vorgegebenen Halbwellenphasenwinkeln (φ_^) mit Hilfe von elektronischen Schaltern, wie Opto-Triacs (S_T1, S_T2) (1, 2) oder äquivalent funktionierenden Thyristorschaltungen oder Halbleiter-Leistungsschaltern, alternativ R-Testlasten (R_T1) oder RC-Testlasten (R_T2, C_T2) zugeschaltet werden, was in den zu messenden Impedanzen (Z _v, Z _n, Z ₁ ... Z _x, Z _v,N↔PE, Z _n,N↔PE) Stromänderungen und Spannungsänderungen mit breitbandigen Flanken erzeugt, die als Differenz der Strom- und Spannungsverläufe von aktiven Netzperioden und von Referenzperioden ohne Testlast-Zuschaltung gemessen werden, wobei die Verrechnung der Spektren der Spannungsänderungsverläufe mit den Spektren der Stromänderungsverläufe die gesuchten Impedanzspektren ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit RC-Testlasten (R_T2, C_T2) erzeugten Strom- und Spannungspulse Zeitkonstanten (τ) in der Größenordnung 100 μs aufweisen und damit in der Pulsdauer um etwa den Faktor 20 kürzer als die Netzperiodendauer sind, wodurch die erhaltenen Spektren die Impedanz (Z) zum Zeitpunkt des Halbwellenphasenwinkels (φ_^) der führenden Testpulsflanke wiedergeben.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwellenphasenwinkel (φ_^) der führenden Testpulsflanken zwischen den Einzelmessungen automatisch variiert werden, wodurch man die Impedanzspektren als Funktion des Halbwellenphasenwinkels (φ_^) erhält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Messungen an Netzknoten neben der Spannungsänderung bei Bedarf für alle ein- und ausgehenden Strompfade die Stromänderungen ΔI₁ ... ΔI_x und die daraus errechneten Impedanzspektren einzeln gemessen werden können.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Testströme (I_T) aus dem speisenden Stromkreis mit der formal als innewiderstandfrei betrachteten Wechselspanungsquelle (~_v) und der Quellimpedanz (Z _v) in einen angeschlossenen Stromkreis eingespeist werden, der nur mindestens an einem Messpunkt mit dem speisenden Stromkreis verbunden sein muss, um so die dem Messpunkt vorgelagerten Impedanzen (Z _v) und nachgelagerten Impedanzen (Z _n) des angeschlossenen Stromkreises zu messen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der Spektralanalysen mittels schneller Fourier-Transformation, FFT, genau 2^N Samples zur Abbildung der Strom- und Spannungszeitverläufe einer oder mehrerer ganzzahliger aktueller Periodendauern der Grundschwingung genutzt werden, die zuvor durch interpolierende Mittelung aus per Oversampling gewonnenen Datenströmen errechnet werden, was einer rechnerisch realisierten Phasenregelschleife, PLL, entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Averagen von Zeitverläufen zur Rauschverminderung alle Strom- und Spannungszeitverläufe halbwellenweise so auf der Zeitachse verschoben werden, dass die besonders prägnanten Startflanken der Testströme (I_T) exakt ineinander fallen.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der mit RC-Testlasten (R_T2, C_T2) erzeugten kurzen Strom- und Spannungspulse die Zeitbereiche der Spannungs- und Stromänderungssignale außerhalb der Testpulse zwecks Rauschunterdrückung zur Glättung auf Null gesetzt werden, wobei die Wichtung des ungefilterten Signals im Übergang zwischen ungefilterten und geglätteten Signalbereichen entsprechend einer Logistik-Funktion zu- bzw. abnimmt, um spektrale Artefakte durch die Glättung zu vermeiden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand weniger Zeitkonstanten (τ) über separate elektronische Schalter (1, 2), wie Opto-Triacs oder äquivalent funktionierende Thyristorschaltungen oder andere Halbleiter-Leistungsschalter, mehrere parallel geschaltete RC-Testlasten kürzerer Zeitkonstante (τ), von beispielsweise 30 μs, zugeschaltet werden können, die einen relativ größeren Anteil an höheren Frequenzen enthalten, was in den gemessenen Impedanzspektren ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis bei den höheren Frequenzen bewirkt.
10. Messanordnung zur spektral aufgelösten Messung der Impedanz in Stromversorgungsnetzen zur Beurteilung des Netzzustands, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Messanordnung in einem ein- oder mehrphasigen Stromversorgungsnetz mindestens einen elektronischen Schalter (1, 2), wie Opto-Triacs (S_T1, S_T2) oder äquivalent funktionierende Thyristorschaltungen oder andere äquivalent funktionierende Halbleiter-Leistungsschalter aufweist und dass der erste Opto-Triac (S_T1) (1) oder ein erster äquivalent funktionierender elektronischer Schalter (1) mit einem Ohmschen R-Testlastwiderstand (3) zur Erzeugung einer ohmschen R-Testlast (R_T1) verbunden ist und/oder dass der zweite Opto-Triac (S_T2) (2) oder der zweite äquivalent funktionierende elektronischer Schalter (2) mit einem RC-Testlastwiderstand (4) verbunden ist, der aus einer Serienschaltung aus einem Ohmschen Widerstand (5) zur Erzeugung eines ohmschen Anteils einer RC-Testlast (R_T2) und einem Kondensator (6) zur Erzeugung eines kapazitiven Anteils der RC-Testlast (C_T2) besteht und dass eine Steuereinheit (7) vorgesehen ist, welche die beiden elektronischen Schalter (1, 2) zu vorgegebenen Halbwellenphasenwinkeln (φ_^) durchschaltet und auf diese Weise Testströme (I_T) mit mehreren einander überlagerten Frequenzen erzeugt und dass zur Messung der Testströme (I_T) – ein Transientenrekorder (8) zur Messung der Testströme (↗I_T) und – mindestens ein Transientenrekorder (10) zur Messung der Ströme aus dem vorgelagerten Netz zum Messpunkt (↗I_v) in den zu messenden Impedanzen (Z _v, Z _n, Z ₁ ... Z _x, Z _v,N↔PE, Z _n,N↔PE) zwischen Neutralleiter und Erde mit den elektronischen Schaltern (1, 2) verbunden ist und dass ein weiterer Transientenrekorder (9) zur Messung der Messpunktspannung (↗U_T) zwischen den Polen eines Messpunktes angeordnet ist.
11. Messanordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle des zweiten elektronischen Schalters (S_T2) (2) mit einem RC-Testlastwiderstand (4) eine Mehrzahl von Serienschaltungen aus jeweils einem Opto-Triac (S_T1) (1) und einem RC-Testlastwiderstand (4) parallel geschaltet sind und kurz hintereinander zugeschaltet werden, wodurch ein Burst von Impulsen entsteht, der einen relativ größeren Anteil höherer Frequenzen enthält, was in den gemessenen Impedanzspektren ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis bei den höheren Frequenzen bewirkt.
12. Messanordnung nach Anspruch 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbereiche der Transientenrekorder, insbesondere der Transientenrekorder zur Strommessung (↗I_v, ↗I_T, ↗I_n, ↗I₁, ↗I₂, bis ↗I_X) dynamisch oder statisch umschaltbar sind, um die Stromänderungen zur Impedanzberechnung in allen Betriebszuständen mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis erfassen zu können.
13. Messanordnung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte Messwerte der Transientenrekorder zur Strommessung (↗I_v, ↗I_T, ↗I_n, ↗I₁, ↗I₂, bis ↗I_X) miteinander verrechnet werden und sich so die gemeinsamen Impedanzen willkürlich wählbarer Kombinationen der mit dem Messpunkt verbundenen Netzzweige bestimmen lassen.
14. Messanordnung nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ohmsche R-Testlastwiderstand (3) und der RC-Testlastwiderstand (4) in ihren Werten statisch oder dynamisch verstellbar sind, und dass für jeden Betriebszustand und jede Impedanz (Z) des jeweils untersuchten Netzknotens eine optimale Spannungsänderung (ΔU_T) für ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis bei minimaler Verlustleistung und Netzrückwirkung einstellbar ist.

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