DE19637676C2 - Anordnung zum Bestimmen von Grund- und Oberschwingungen einer elektrischen Meßgröße - Google Patents

Description

Bei einer bekannten Anordnung zum Bestimmen von Grund- und Oberschwingungen einer elektrischen Meßgröße (Klaus Weighardt, "Im Blickpunkt: Digitale Signalverarbeitung, 1. Teil: Datenerfassung/digitale Filter", Elektronik, 2/23.01.1987, Seiten 89 bis 96 insbesondere Seite 93) wird die elektrische Meßgröße vor ihrer Abtastung mit einer Signalaufbereitungsschaltung aufbereitet, die das Frequenz­ band der Meßgröße begrenzt. Hierdurch werden Rückfaltungsfeh­ ler (Anti-Aliasing-Fehler) bei der nachfolgenden Abtastung ausgeschlossen. Um eine Signalverfälschung und somit Meßfehler durch die Signalaufbereitungsschaltung zu ver­ meiden, werden hohe technische Anforderungen an die Signal­ aufbereitungsschaltung gestellt.

Aus der deutschen Patentschrift 44 20 348 C1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Ermitteln von harmonischen Oberschwingungen zu einer Grundschwingung eines elektrischen Signals bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Abtastfrequenz unter Heranzie­ hung der Frequenz der Grundschwingung (Netzfrequenz) des Signals nachgeregelt, wodurch erreicht wird, daß stets mit einem nichtganzzahligen Mehrfachen der Netzfrequenz abgetastet wird.

Aus der US Patentschrift 4,975,633 ist ein Spektrenanalysator bekannt, mit dem Signale bis zu einigen 100 GHz gemessen werden können. Dieser Spektrenanalysator ist mit einem Leistungssensor ausgestattet, der in Form eines frequenzunabhängigen Gesamtleistungsmeßwerts die mittlere Eingangsleistung des Eingangssignals mißt; auf einer Anzeigeeinrichtung dieses vorbekannten Spektrenanalysators läßt sich zusätzlich zu dem gemessenen Frequenzspektrum der Gesamtleistungsmeßwert des Leistungssensors anzeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum genauen Bestimmen von Grund- und Oberschwingungen einer elek­ trischen Meßgröße einer mehrphasigen elektrischen Energie­ übertragungsleitung anzugeben, mit der trotz Verwendung einer relativ minder qualitativen Signalaufbereitungsschaltung die Grund- und Oberschwingungen der elektrischen Meßgröße sehr genau bestimmbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine An­ ordnung erreicht mit einer mit einer Phase der Energieüber­ tragungsleitung verbundenen Signalaufbereitungsschaltung, die eingangsseitig mindestens einen mit der Phase in Verbindung stehenden Stromwandler oder Spannungswandler und einen dem Stromwandler bzw. Spannungswandler nachgeschalteten Tiefpaß aufweist, einer der Signalaufbereitungsschaltung nachgeordneten Reihenschaltung mit einer Abtasteinrichtung, einem nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer und einer Einrichtung zur diskreten Fourier-Transformation (DFT), einem Speicher zur Speicherung eines frequenzabhängigen Korrektur­ faktors, der durch einmalige, vorangehende Kalibriermessungen der Signalaufbereitungsschaltung ermittelt worden ist, und einer Korrekturanordnung, die einerseits an den Speicher und andererseits an die Einrichtung zur diskreten Fourier-Trans­ formation angeschlossen ist und an einen Ausgang die Grund- und Oberschwingungen der elektrischen Meßgröße abgibt.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei der Herstellung der Signalaufbereitungsschaltung auch elektrische Bauelemente verwendet werden können, die hohe To­ leranzen aufweisen, da die durch die Signalaufbereitungs­ schaltung hervorgerufenen Meßfehler durch den frequenzabhän­ gigen Korrekturfaktor korrigiert werden. Meßfehler kleiner als 1% sind ohne weiteres erreichbar.

Um mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch mehrere Phasen sowie den Nulleiter der Energieübertragungsleitung charakte­ risieren zu können, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Anordnung weitere Stromwandler oder weitere Spannungs­ wandler, denen jeweils ein weiterer Tiefpaß nachgeschaltet ist, und einen Multiplexer aufweist, der einerseits mit dem einen Tiefpaß und den weiteren Tiefpässen und andererseits mit der Reihenschaltung verbunden ist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 eine Meßschaltung zum Bestimmen eines den Frequenz­ gang einer Signalaufbereitungsschaltung nach Betrag und Phase kennzeichnenden, frequenzabhängigen Korrekturfaktors und in

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen An­ ordnung zum Bestimmen von Grund- und Oberschwingungen einer elektrischen Meßgröße dargestellt.

An einen in der Fig. 1 dargestellten Funktionsgenerator 1 ist ein Stromwandler 2 angeschlossen, dem ausgangsseitig ein Tiefpaß 3 nachgeordnet ist. Der Ausgang des Tiefpasses 3 ist mit einem Eingang E41 eines Multiplexers 4 verbunden. An weitere Stromwandler 5, 6 und 7 ist jeweils ein weiterer Tiefpaß 8, 9 und 10 angeschlossen. Die weiteren Tiefpässe 8, 9, und 10 sind ausgangsseitig mit weiteren Eingängen E42, E43 und E44 des Multiplexers 4 verbunden. Dem Multiplexer 4 nach­ geschaltet ist ein Verstärker 13. Der eine Stromwandler 2, die weiteren Stromwandler 5, 6 und 7, der eine Tiefpaß 3, die weiteren Tiefpässe 8, 9 und 10, der Multiplexer 4 und der Ver­ stärker 13 bilden eine analoge Signalaufbereitungsschaltung 15 mit einem Ausgang A151 und Eingängen E151, E152, E153 und E154. Der Funktionsgenerator 1 ist somit mit dem einen Strom­ wandler 2 und gleichzeitig mit dem Eingang E151 der Signal­ aufbereitungsschaltung 15 verbunden. An den Ausgang A151 der Signalaufbereitungsschaltung 15 bzw. an den Ausgang des Ver­ stärkers 13 ist ein präzises Meßgerät 17 (z. B. Fluke 8506 A) mit einem Eingang E171 angeschlossen, das ausgangsseitig mit einem Speicher 18 verbunden ist; ein weiterer Eingang E172 ist über eine Verbindungsleitung 19 direkt an den Ausgang des Funktionsgenerators 1 angeschlossen.

Mit dieser Meßschaltung wird der Frequenzgang der analogen Signalaufbereitungsschaltung 15 nach Betrag und Phase im Rah­ men der Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung ermit­ telt. Hierzu wird mit Hilfe des Funktionsgenerators 1 eine sinusförmige Eingangsgröße Ue(ω) einer vorgegebenen Kreis­ frequenz ω und einer vorgegebenen Amplitude Ae(ω) beispiels­ weise in den Stromwandler 1 bzw. am Eingang E151 in die ana­ loge Signalaufbereitungsschaltung 15 eingespeist. Mit dem präzisen Meßgerät 17 werden die Amplitude Aa(ω) der am Aus­ gang A151 der Signalaufbereitungsschaltung 15 daraufhin vor­ liegenden Ausgangsgröße Ua(ω) sowie deren relativ zur Ein­ gangsgröße Ue(ω) aufgetretene Phasenlage ϕa(ω) gemessen. Aus der Amplitude Ae(ω) der Eingangsgröße Ue(ω) und aus der Amplitude Aa(ω) der Ausgangsgröße Ua(ω) wird ein Quotient Ae(ω)/Aa(ω) ermittelt. Mit dem Quotienten Ae(ω)/Aa(ω) und mit der Phasenlage ϕa(ω) wird ein komplexer Korrekturfaktor k(ω) gebildet:

Der Korrekturfaktor k(ω) wird in dieser Weise für die Grund­ schwingung und für die zu bestimmenden Oberschwingungen er­ mittelt, beispielsweise für die erste, zweite, vierte, sech­ ste, achte, zehnte und zwölfte Oberschwingung.

Der derart ermittelte, frequenzabhängige Korrekturfaktor k(ω) wird zum Speicher 18 übertragen und dort abgespeichert. Das Abspeichern des komplexen Korrekturfaktors k(ω) läßt sich beispielsweise durch Abspeichern des Quotienten Ae(ω)/Aa(ω) und der Phasenlage ϕa(ω) erreichen.

In gleicher Weise werden weitere Korrekturfaktoren unter Ein­ beziehung der Stromwandler 5, 6 und 7 zur späteren Korrektur der über diese Stromwandler gemessenen, elektrischen Meß­ größen ermittelt, wobei hierbei mit dem Multiplexer 4 die jeweilige zu messende Eingangsgröße an den Ausgang A151 der Signalaufbereitungsschaltung 15 durchgeschaltet werden muß.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei bereits in Zusam­ menhang mit Fig. 1 erläuterte Elemente die gleichen Bezugs­ zeichen wie in Fig. 1 aufweisen.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde, setzt sich die Signalaufbereitungsschaltung 15 aus den Strom­ wandlern 2, 5, 6 und 7, den Tiefpässen 3, 8, 9 und 10, dem Multiplexer 4 und dem Verstärker 13 zusammen. Dem Verstärker 13 bzw. der Signalaufbereitungsschaltung 15 nachgeordnet ist eine Abtasteinrichtung 20, die ausgangsseitig mit einem Analog-Digital-Umsetzer 21 verbunden ist. Der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 21 ist an eine Einrichtung 22 zur diskreten Fourier-Transformation (DFT) angeschlossen, mit der über einen Eingang E231 eine Korrekturanordnung 23 verbunden ist. Ein weiterer Eingang E232 der Korrekturanordnung 23 ist mit dem Speicher 18 verbunden. Ein Ausgang A231 der Korrekturanordnung 23 bildet den Ausgang der erfindungs­ gemäßen Anordnung. Ein weiterer Ausgang A232 der Korrek­ turanordnung 23 ist an einen zusätzlichen Eingang E45 des Multiplexers 4 angeschlossen.

Im folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens beschrieben, wobei davon ausgegangen wird, daß mit dem Stromwandler 2 ein mittels eines nicht dargestellten, an die Primärseite des Stromwandlers 2 angeschlossenen Haupt­ stromwandlers gewandelter Phasenstrom in einer Phase einer ebenfalls nicht dargestellten mehrphasigen Energieübertra­ gungsleitung gemessen wird.

Im Stromwandler 2 wird eine elektrische Meßgröße M in eine Strommeßgröße MT gewandelt. Vom Stromwandler 2 wird die Strommeßgröße MT zum Tiefpaß 3 übertragen. Im Tiefpaß 3 wird das Frequenzspektrum der Strommeßgröße MT unter Bildung einer bandbegrenzten Strommeßgröße MT' begrenzt, um bei der Ab­ tastung in der Abtasteinrichtung 20 Rückfaltungsfehler (Anti- Aliasing-Fehler) zu vermeiden. Die bandbegrenzte Strommeß­ größe MT' gelangt zu dem einen Eingang E41 des Multiplexers 4, in dem sie zum Verstärker 13 durchgeschaltet wird. Von dort wird die bandbegrenzte und verstärkte Strommeßgröße zur Abtasteinrichtung 20 übertragen, in der sie abgetastet wird. Die Abtastwerte gelangen zum Analog-Digital-Umsetzer 21 und nachfolgend zur Einrichtung 22 zur diskreten Fourier- Transformation (DFT), in der eine diskrete Fourier-Trans­ formation unter Bildung einer Zwischenmeßgröße I(ω) durchge­ führt wird. Die Zwischenmeßgröße I(ω) entspricht der bandbe­ grenzten, verstärkten Strommeßgröße im Frequenzbereich. Diese Zwischenmeßgröße I(ω) gelangt zur Korrekturanordnung 23. Aus dem Speicher 18 wird der frequenzabhängige Korrekturfaktor k(ω) ausgelesen und zur Korrekturanordnung 23 übertragen. Anschließend wird die Zwischenmeßgröße I(ω) mit dem frequenz­ abhängigen Korrekturfaktor k(ω) komplex multipliziert. Durch die komplexe Multiplikation wird sowohl der Betrag als auch die Phase der Zwischenmeßgröße I(ω) korrigiert, so daß sich die Grundschwingung und die Oberschwingungen I'(ω) der elek­ trischen Meßgröße M nach Betrag und Phase durch die nachste­ henden Beziehungen beschreiben lassen:

Die komplexe Multiplikation läßt sich technisch durch einen Multiplikations- und einen Additionsbildner realisieren.

An dem einen Ausgang A231 der Korrekturanordnung 23 werden die Grundschwingung und die Oberschwingungen I'(ω) abgegeben. In der Korrekturanordnung 23 werden also die durch den Fre­ quenzgang der analogen Signalaufbereitungsschaltung 15 ver­ ursachten Meßfehler für die zu messenden Grund- und Ober­ schwingungen korrigiert, so daß an dem einen Ausgang A231 der Korrekturanordnung 23 fehlerfreie Amplituden- und Pha­ senlagemeßwerte abgegeben werden.

In der Korrekturanordnung 23 können in dieser Weise Betrag und Phasenlage der Grundschwingung sowie beispielsweise der ersten, zweiten, vierten, sechsten, achten, zehnten und zwölften Oberschwingung korrigiert werden.

Über den weiteren Ausgang A232 der Korrekturanordnung 23 läßt sich der Multiplexer 4 ansteuern, so daß auch Sekundärgrößen der weiteren Stromwandler 5, 6 und 7 erfaßt werden können. Sind die weiteren Stromwandler 5, 6 und 7 wie der Strom­ wandler 2 über Hauptstromwandler an die Energieübertragungs­ leitung angeschlossen, so können drei Phasen der Energie­ übertragungsleitung und der Nulleiter meßtechnisch erfaßt werden. Statt der Stromwandler können auch Spannungswandler eingesetzt werden, wenn Spannungswerte nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren bestimmt werden sollen. Voraussetzung dafür ist, daß vorher mit Spannungswandlern in der Signalaufberei­ tungsschaltung Korrekturgrößen aufgenommen worden sind.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, daß die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Praxis mittels einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage erfolgt.

Claims (2)

1. Anordnung zum Bestimmen von Grund- und Oberschwingungen (I'(ω)) einer elektrischen Meßgröße (M) einer mehrphasigen elektrischen Energieübertragungsleitung mit

• 1. einer mit einer Phase der Energieübertragungsleitung verbundenen Signalaufbereitungsschaltung (15), die eingangsseitig mindestens einen mit der Phase in Verbindung stehenden Stromwandler (2) oder Spannungswandler und einen dem Stromwandler (2) bzw. Spannungswandler nachgeschalteten Tiefpaß (3) aufweist,
• 2. einer der Signalaufbereitungsschaltung (15) nachgeordneten Reihenschaltung mit einer Abtasteinrichtung (20), einem nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer (21) und einer Einrichtung (22) zur diskreten Fourier-Transformation (DFT),
• 3. einem Speicher (18) zur Speicherung eines frequenzabhängi­ gen Korrekturfaktors (k(ω)), der durch einmalige, vorange­ hende Kalibriermessungen der Signalaufbereitungsschaltung (15) ermittelt worden ist, und
• 4. einer Korrekturanordnung (23),
  • 1. die einerseits an den Speicher (18) und andererseits an die Einrichtung (22) zur diskreten Fourier-Trans­ formation (DFT) angeschlossen ist und
  • 2. an einen Ausgang (A231) die Grund- und Oberschwingun­ gen (I'(ω)) der elektrischen Meßgröße (M) abgibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erfassen weiterer Phasen der Energieüber­ tragungsleitung aufweist

• 1. weitere Stromwandler (5, 6, 7) oder weitere Spannungswandler, denen jeweils ein weiterer Tiefpaß (8, 9, 10) nachgeschaltet ist, und
• 2. einen Multiplexer (4), der einerseits mit dem einen Tiefpaß (3) und den weiteren Tiefpässen (8, 9, 10) und andererseits mit der Reihenschaltung verbunden ist.