DE202012012649U1 - Device for measuring an alternating current - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Messung eines durch eine Wechselspannung mit einer Netzfrequenz geprägten Wechselstroms in einem Leiter oder daraus abgeleiteter Messgrößen, aufweisend einen Stromkanal zur Erfassung eines eine Netzperiode aufweisenden Stromsignals i(t) des Leiters, einen Spannungskanal zur Erfassung eines dem Stromsignal i(t) zugeordneten Spannungssignals u(t) des Leiters, wobei im Spannungskanal ein mit einer Abtastfrequenz fa arbeitender erster Analog-Digital-Wandler zur Wandlung des Spannungssignals u(t) in ein zeitdiskretes Spannungssignal u(n) und im Stromkanal eine Rogowski-Spule, in der durch das Stromsignal i(t) eine dem Differential des Stromsignals i(t) proportionale Rogowski-Spulenspannung r(t) gebildet wird, ein mit der Rogowski-Spule verbundener, zweiter Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der Rogowski-Spulenspannung r(t) in ein zeitdiskretes Rogowski-Spulensignal r(n) und eine Integrator-Einheit, die unter Zugrundelegung des Rogowski-Spulensignals r(n) ein dem Stromsignal i(t) proportionales Integrator-Signal i(n) ermittelt, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Spannungskanal eine Phasenregelschleife angeordnet ist, die die Netzperiode ermittelt und die diese an die Integrator-Einheit zur Verwendung bei der Bestimmung des Integrator-Signals i(n) überträgt.Device for measuring an alternating current in a conductor or measured variables derived therefrom by an AC voltage with a mains frequency, comprising a current channel for detecting a current signal i (t) of the conductor comprising a network period, a voltage channel for detecting a voltage signal associated with the current signal i (t) u (t) of the conductor, wherein in the voltage channel at a sampling frequency fa working first analog-to-digital converter for converting the voltage signal u (t) into a discrete-time voltage signal u (n) and in the current channel a Rogowski coil, in which by the Current signal i (t) a Rogowski coil voltage r (t) proportional to the differential of the current signal i (t) is formed, a second analog-to-digital converter connected to the Rogowski coil for converting the Rogowski coil voltage r (t) into a discrete-time Rogowski coil signal r (n) and an integrator unit which, on the basis of the Rogowski coil signal r (n), enters the current sig nal i (t) proportional integrator signal i (n) are determined, are arranged, characterized in that in the voltage channel, a phase locked loop is arranged, which determines the network period and the latter to the integrator unit for use in the determination of the integrator signal i (n) transmits.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines durch eine Wechselspannung mit einer Netzfrequenz geprägten Wechselstroms in einem Leiter oder daraus abgeleiteter Messgrößen, aufweisend einen Stromkanal zur Erfassung eines eine Netzperiode aufweisenden Stromsignals i(t) des Leiters, einen Spannungskanal zur Erfassung eines dem Stromsignal i(t) zugeordneten Spannungssignals u(t) des Leiters, wobei im Spannungskanal ein mit einer Abtastfrequenz fa arbeitender erster Analog-Digital-Wandler zur Wandlung des Spannungssignals u(t) in ein zeitdiskretes Spannungssignal u(n) und im Stromkanal eine Rogowski-Spule, in der durch das Stromsignal i(t) eine dem Differential des Stromsignals i(t) proportionale Rogowski-Spulenspannung r(t) gebildet wird, ein mit der Rogowski-Spule verbundener, zweiter Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der Rogowski-Spulenspannung r(t) in ein zeitdiskretes Rogowski-Spulensignal r(n) und eine Integrator-Einheit, die unter Zugrundelegung des Rogowski-Spulensignals r(n) ein dem Stromsignal i(t) proportionales Integrator-Signal i(n) ermittelt, angeordnet sind.The present invention relates to a device for measuring an alternating current in a conductor or measured variables derived therefrom by an AC voltage with a mains frequency, comprising a current channel for detecting a current signal i (t) of the conductor having a mains period, a voltage channel for detecting a current signal i (t) associated voltage signal u (t) of the conductor, wherein in the voltage channel one operating at a sampling frequency f a first analog-to-digital converter for converting the voltage signal u (t) in a discrete-time voltage signal u (n) and in the current channel a Rogowski Coil in which a Rogowski coil voltage r (t) proportional to the differential of the current signal i (t) is formed by the current signal i (t), a second analog-to-digital converter connected to the Rogowski coil for conversion of the Rogowski coil. Coil voltage r (t) into a time discrete Rogowski coil signal r (n) and an integrator unit, which is based on the Rog owski coil signal r (n) a the current signal i (t) proportional integrator signal i (n) determined, are arranged.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen eines durch eine Wechselspannung mit einer Netzfrequenz geprägten Wechselstroms in einem Leiter oder daraus abgeleiteter Messgrößen, umfassend die Verfahrensschritte:
- (a) Erfassen eines eine Netzperiode aufweisenden Spannungssignals u(t) des Leiters über einen Spannungssensor,
- (b) Digitalisieren des Spannungssignals u(t) durch einen mit einer Abtastfrequenz fa arbeitenden ersten Analog-Digital-Wandler unter Erhalt eines zeitdiskreten Spannungssignals u(n),
- (c) Erfassen eines Stromsignals i(t) des Leiters über eine Rogowski-Spule, wobei in der Rogowski-Spule durch das Stromsignal i(t) eine dem Differential des Stromsignals i(t) proportionale Rogowski-Spulenspannung r(t) gebildet wird,
- (b) Wandeln der Rogowski-Spulenspannung r(t) in ein zeitdiskretes Rogowski-Spulensignal r(n) unter Einsatz eines zweiten Analog-Digital-Wandlers,
- (e) Ermitteln eines dem Stromsignal i(t) proportionalen Integrator-Signals i(n) unter Zugrundelegung des Rogowski-Spulensignals r(n) mittels einer Integrator-Einheit.
- (a) detecting a line period voltage signal u (t) of the conductor via a voltage sensor,
- (b) digitizing the voltage signal u (t) by a first analog-to-digital converter operating at a sampling frequency f a to obtain a time-discrete voltage signal u (n),
- (c) detecting a current signal i (t) of the conductor via a Rogowski coil, wherein in the Rogowski coil by the current signal i (t) a Rogowski coil voltage r (t) proportional to the differential of the current signal i (t) is formed .
- (b) converting the Rogowski coil voltage r (t) into a time discrete Rogowski coil signal r (n) using a second analog-to-digital converter,
- (E) determining an integrator signal i (n) proportional to the current signal i (t) on the basis of the Rogowski coil signal r (n) by means of an integrator unit.
Vorrichtungen in diesem Sinne sind beispielsweise Digitalmultimeter, die zur Bestimmung elektrischer Messgrößen, vorzugsweise zur Messung einer elektrischen Leistung oder Arbeit in Wechselstromnetzen geeignet sind. Übliche Netzfrequenzen sind 33,3 Hz, 50 Hz oder 60 Hz.Devices in this sense are, for example, digital multimeters which are suitable for determining electrical measured variables, preferably for measuring electrical power or work in alternating current networks. Typical mains frequencies are 33.3 Hz, 50 Hz or 60 Hz.
Stand der TechnikState of the art
Bei bekannten Wechselstrom-Messgeräten ist zur Messung von elektrischen Wechselströmen häufig eine Rogowski-Spule vorgesehen. Eine Rogowski-Spule ist eine toroidförmige Spule mit einem Luftkern. Dieser Rogowski-Toroid besteht aus einer spiralförmigen Drahtspule mit zwei Spulenenden und kann für ambulante Messzwecke geöffnet werden, wenn die Zuleitung des einen Spulenendes durch die Mitte der Spule zum anderen Spulenende zurückgeführt wird, so dass die beiden Spulenenden auf derselben Seite der Rogowski-Spule angeordnet sind. Bedingt durch den Luftkern weisen Rogowski-Spulen eine niedrige Induktivität auf und sind daher besonders zur Erfassung sich schnell verändernder Ströme geeignet.In known AC meters, a Rogowski coil is often provided for measuring AC electrical currents. A Rogowski coil is a toroidal coil with an air core. This Rogowski toroid consists of a helical coil of wire with two coil ends and can be opened for ambulatory measurement purposes, when the lead of one coil end is returned through the center of the coil to the other coil end, so that the two coil ends are arranged on the same side of the Rogowski coil are. Due to the air core, Rogowski coils have a low inductance and are therefore particularly suitable for detecting rapidly changing currents.
Zur Messung eines Stroms in einem Leiter wird die Rogowski-Spule so angeordnet, dass sie den Leiter umgibt. Sie liefert eine Spannung, die dem Differential des Leiterstromes proportional ist. Um eine dem Leiterstrom proportionale Größe zu erhalten, ist es notwendig, diese Spannung zu integrieren. Die Integration kann mittels einer analogen oder einer digitalen Integrator-Einheit erfolgen. Digitale Integrator-Einheiten haben den Vorteil, dass sie einerseits eine hohe Messgenauigkeit und andererseits eine gute Langzeitstabilität aufweisen. Die Verwendung einer digitalen Integrator-Einheit setzt zunächst einen Analog-Digital-Wandler voraus, der das analoge Messsignal der Rogowski-Spule, also die Rogowski-Spulenspannung, in ein zeitdiskretes, digitales Rogowski-Spulensignal wandelt. Anschließend wird das digitalisierte Signal der digitalen Integrator-Einheit zugeführt, die daraus ein dem Stromsignal proportionales Messsignal erzeugt.To measure a current in a conductor, the Rogowski coil is positioned to surround the conductor. It provides a voltage that is proportional to the differential of the phase current. In order to obtain a size proportional to the conductor current, it is necessary to integrate this voltage. The integration can be done by means of an analog or a digital integrator unit. Digital integrator units have the advantage that on the one hand they have high measuring accuracy and on the other hand good long-term stability. The use of a digital integrator unit first requires an analog-to-digital converter, which converts the analog measuring signal of the Rogowski coil, ie the Rogowski coil voltage, into a time-discrete, digital Rogowski coil signal. Subsequently, the digitized signal is supplied to the digital integrator unit, which generates therefrom a measurement signal proportional to the current signal.
Allerdings kann diesem Messsignal durch die Schaltungsanordnung ein Gleichanteil aufgeprägt sein, der das Messsignal verfälscht. Ein solcher Gleichanteil kann aus mehreren Komponenten verschiedenen Ursprungs zusammengesetzt sein. Beispielsweise prägt der analoge Teil des Übertragungspfades, also der Signalweg von der Rogowski-Spule zum Analog-Digital-Wandler, dem Messsignal einen schaltungsbedingten Gleichanteil auf. Dieser Gleichanteil wird nachfolgend als Pfadfehler bezeichnet. Er kann außerdem dazu führen, dass im zeitlichen Verlauf von der digitalen Integrator-Einheit neben dem Leiterstrom auch ein pfadfehlerbedingter Fehler-Strom ermittelt wird, der in der Integrator-Einheit akkumuliert.However, this measuring signal can be impressed by the circuit arrangement, a DC component, which distorts the measurement signal. Such a DC component can be composed of several components of different origin. For example, the analog part of the transmission path, that is to say the signal path from the Rogowski coil to the analog-to-digital converter, imparts to the measurement signal a circuit-related DC component. This DC component is referred to below as a path error. It may also cause the digital integrator unit to detect in addition to the phase current over time a path error current that accumulates in the integrator unit.
Ein digitales Leistungsmessgerät, das einen verminderten schaltungsbedingt aufgeprägten Gleichanteil und damit einen verminderten Pfadfehler aufweist, ist beispielsweise aus der
Zur Verminderung des Pfadfehlers ist im Stromkanal des Leistungsmessgerätes ein Digitalfilter in Form eines Hochpasses angeordnet. Als Hochpass werden in der Elektronik Filter bezeichnet, die Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz nahezu ungeschwächt passieren lassen. Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz werden von dem Hochpass hingegen gedämpft. Ein idealer Hochpass-Filter weist eine Grenzfrequenz auf, die den Übergang zwischen einem Durchlassbereich und einem Sperrbereich festlegt, wobei alle Schwingungen mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz unverändert übertragen und alle Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz eliminiert werden.To reduce the path error, a digital filter in the form of a high-pass filter is arranged in the current channel of the power meter. As a high-pass filter in electronics called filters that allow frequencies above a cutoff frequency pass almost unattenuated. Frequencies below the cutoff frequency are attenuated by the high pass. An ideal high-pass filter has a cutoff frequency that defines the transition between a passband and a stopband, with all vibrations having a frequency above the cutoff frequency being transmitted unchanged and all frequencies below the cutoff frequency being eliminated.
Ein idealer Hochpass-Filter ist allerdings in der Praxis nicht realisierbar. Verfügbare, reale Hochpass-Filter weisen zwischen Durchlass- und Sperrbereich einen Übergangsbereich auf. Ein realer Hochpass verändert insbesondere die Signalform der Signal-Anteile mit Frequenzen im Übergangsbereich, woraus sowohl eine Veränderung der Signal-Amplitude (Amplitudenfehler) als auch eine Phasenverschiebung (Phasenfehler) der Signalanteile der entsprechenden Frequenzen resultiert. Der Amplitudenfehler als auch der Phasenfehler beeinflussen die Genauigkeit des Messgerätes. Um den Phasenfehler bei der Leistungsbestimmung zu eliminieren, ist bei dem Leistungsmessgerät aus der
Hierdurch wird zwar der Phasenfehler eliminiert, nicht aber der Amplitudenfehler. Darüber hinaus bewirkt der im Spannungskanal angeordnete Hochpass-Filter eine zusätzlichen Amplitudenfehler bei der Messung der Spannung.Although this eliminates the phase error, it does not eliminate the amplitude error. In addition, the high-pass filter arranged in the voltage channel causes an additional amplitude error in the measurement of the voltage.
Technische AufgabenstellungTechnical task
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung eines Wechselstroms in einem Leiter anzugeben, die eine hohe Messgenauigkeit bei der Bestimmung von Wechselstrommessgrößen ermöglicht und die darüber hinaus einfach und kostengünstig zu fertigen ist.The invention is therefore based on the object of specifying a device for measuring an alternating current in a conductor, which allows a high measuring accuracy in the determination of AC measured variables and which is also easy and inexpensive to manufacture.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen eines eine Netzperiode aufweisenden Wechselstroms in einem Leiter anzugeben, das eine möglichst exakte Messung von Wechselstrommessgrößen ermöglicht.Furthermore, the invention has for its object to provide a method for measuring a mains period having alternating current in a conductor, which allows the most accurate measurement of AC measured variables.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Spannungskanal eine Phasenregelschleife angeordnet ist, die die Netzperiode ermittelt und die diese an die Integrator-Einheit zur Verwendung bei der Bestimmung des Integrator-Signals i(n) überträgt.With regard to the device, this object is achieved on the basis of a device of the type mentioned in the present invention, that in the voltage channel, a phase locked loop is arranged, which determines the network period and this to the integrator unit for use in the determination of the integrator signal i (n ) transmits.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Messung eines Wechselstroms in einem Leiter sowie zur Bestimmung daraus abgeleiteter Messgrößen, beispielsweise einer Wechselstromleistung oder einer Wechselstromarbeit geeignet.The device according to the invention is suitable for measuring an alternating current in a conductor and for determining measured variables derived therefrom, for example an alternating current power or an alternating current work.
Da Wechselstrom ein elektrischer Strom ist, der seine Größe und Richtung regelmäßig ändert, weist dieser einen periodischen Verlauf auf. Er kann einem sinusförmigen Verlauf entsprechen oder von diesem abweichen. Ein Stromsignal i(t), der von einer Wechselspannung u(t) mit relativ konstanter Netzfrequenz f und einem beliebigen Lastwiderstand R über die Gleichung i(t) = u(t)/R bestimmt wird, weist äquidistante Signal- oder Netzperioden auf.Since alternating current is an electric current that changes its size and direction regularly, it has a periodic course. It can correspond to a sinusoidal course or deviate from it. A current signal i (t), which is determined by an alternating voltage u (t) with a relatively constant line frequency f and an arbitrary load resistance R via the equation i (t) = u (t) / R, has equidistant signal or mains periods.
Um sowohl das Spannungs- als auch das zugeordnete Stromsignal eines Leiters erfassen zu können, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung neben einem Stromkanal zur Erfassung des Stromsignals des Leiters auch ein Spannungskanal zur Erfassung des Spannungssignals des Leiters vorgesehen. Die Digitalisierung von Strom- und Spannungssignal erfolgt über zwei Analog-Digital-Wandler, die beide Signale zeitgleich abtasten. Eine Abtastfrequenz fa, die mindestens dem 100-fachen der analysierten Netzfrequenz f entspricht, gewährleistet eine hohe Messwertauflösung.In order to detect both the voltage and the associated current signal of a conductor, in the device according to the invention in addition to a current channel for detecting the current signal of the conductor and a voltage channel for detecting the voltage signal of the conductor is provided. The digitization of current and voltage signal is carried out via two analog-digital converters, which sample both signals at the same time. A sampling frequency fa, which corresponds to at least 100 times the analyzed network frequency f, ensures a high measured value resolution.
Um eine hohe Messgenauigkeit bei der Ermittlung des Wechselstrom-Signals und der daraus abgeleiteten Messgrößen zu erreichen, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der zu messende Wechselstrom netzperiodengestützt, das heißt, bezogen auf eine oder mehrere Netzperioden ermittelt wird. Unter einer Netzperiode versteht man das zeitlich kleinste sich wiederholende Intervall des Wechselstromverlaufs, das dem Kehrwert der Netzfrequenz entspricht.In order to achieve a high measurement accuracy in the determination of the alternating current signal and the measured variables derived therefrom, it is provided in the device according to the invention that the alternating current to be measured is determined by the network period, that is, based on one or more network periods. A network period is understood to mean the time-smallest repetitive interval of the alternating current profile, which corresponds to the reciprocal of the network frequency.
Die Erfassung des Stromsignals i(t) erfolgt zunächst über eine im Stromkanal angeordnete Rogowski-Spule, wobei sich in der Rogowski-Spule durch das elektrische Feld des Stromsignals i(t) eine dem Differential des Stromsignals i(t) proportionale Rogowski-Spulenspannung r(t) bildet, die nachfolgend über einen Analog-Digital-Wandler in ein zeitdiskretes Rogowski-Spulensignal r(n) umgewandelt wird. Um aus diesem Rogowski-Spulensignal r(n) eine dem Stromsignal i(t) proportionale Größe zu erhalten, ist es notwendig, das Rogowski-Spulensignal r(n) zu integrieren. Hierzu ist im Stromkanal der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Integrator-Einheit vorgesehen, die mit Steuersignalen aus der Phasenregelschleife auf die Netzperioden synchronisiert wird. Die Integrator-Einheit liefert ein dem Stromsignal i(t) proportionales Integrator-Signal i(n).The current signal i (t) is initially detected via a Rogowski coil arranged in the current channel, with the Rogowski coil voltage r (t), which is subsequently converted via an analog-to-digital converter into a time-discrete Rogowski coil signal r (n). To get out of this Rogowski coil signal r (n) To obtain a magnitude proportional to the current signal i (t), it is necessary to integrate the Rogowski coil signal r (n). For this purpose, an integrator unit is provided in the current channel of the device according to the invention, which is synchronized with control signals from the phase locked loop to the network periods. The integrator unit supplies an integrator signal i (n) proportional to the current signal i (t).
Die bereits angeführte Phasenregelschleife zur Detektion der einzelnen Netzperioden ist im Spannungskanal der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform könnte die Phasenregelschleife auch im Stromkanal liegen.The already mentioned phase-locked loop for detecting the individual network periods is arranged in the voltage channel of the device according to the invention. In an alternative embodiment, the phase locked loop could also be in the current channel.
Eine Phasenregelschleife – im Folgenden auch als „PLL” bezeichnet von engl. phase-locked loop – ist eine elektronische Schaltungsanordnung, die einen Phasendetektor, ein Schleifenfilter, einen Integrator und einen steuerbaren Oszillator umfasst. Am Phasendetektor liegt das Spannungssignal als äußeres Referenzsignal an. Der Phasendetektor vergleicht die Phasenlage des Spannungssignals mit der des steuerbaren Oszillators und regelt Phasenlage und Frequenz des veränderbaren Oszillators derart, dass diese dem Spannungssignal nachgeführt werden. Das von der Phasenregelschleife erzeugte Oszillatorsignal ist nach einem Einschwingvorgang mit dem äußeren Referenzsignal phasenstarr synchronisiert. Die Phasenregelschleife ermittelt schließlich aufeinanderfolgende Netzperioden, die dem Spannungssignal und dem Stromsignal zugrunde liegen.A phase-locked loop - also referred to below as "PLL" by Engl. phase-locked loop - is an electronic circuit arrangement comprising a phase detector, a loop filter, an integrator and a controllable oscillator. At the phase detector, the voltage signal is present as an external reference signal. The phase detector compares the phase position of the voltage signal with that of the controllable oscillator and regulates the phase position and frequency of the variable oscillator such that they are tracked to the voltage signal. The oscillator signal generated by the phase-locked loop is synchronized in phase with the external reference signal after a transient process. The phase-locked loop finally determines successive network periods that underlie the voltage signal and the current signal.
Zur Dimensionierung einer digitalen Phasenregelschleife werden die Komponenten Schleifenfilter und Integrator sowohl für den analogen als auch für den diskreten Bereich definiert. Beispielsweise wird der Integrator als Backward-Integrator im z-Bereich und das Schleifenfilter als Verzögerungsglied 1. Ordnung im s-Bereich vorgegeben.
Zusammen mit dem Phasendetektor resultiert hieraus eine Phasenregelschleife 2. Ordnung die im s-Bereich dimensioniert werden kann.Together with the phase detector, this results in a second-order phase locked loop which can be dimensioned in the s range.
Den Zusammenhang zwischen der s-Ebene und der z-Ebene zeigen folgende Substitutionen:
Der Einsatz von z = exp(jw), Abtastkreisfrequenz wa und Eigenkreisfrequenz wn führt zum Transformationsparameter L = w/wn/tan(πwn/wa).The use of z = exp (jw), sampling frequency w a and natural angular frequency w n leads to the transformation parameter L = w / w n / tan (πw n / w a ).
Indem die einzelnen Komponenten der PLL zu einer Regelschleife gekoppelt werden, bildet sich im Nenner der Übertragungsfunktion Hpll(s) eine quadratische Funktion von s.
Mit dem Parameter Schwingkreisdämpfung D kann das Regelverhalten der Phasenregelschleife bestimmt und die Normalform der quadratischen Gleichung im Nennerpolynom s·s + 2·s·D·wn + wn·wn gelöst werden.
Die Anwendung der Substitutionsgleichung in der Übertragungsfunktion Hfilter(s) und das Ergebnis aus der quadratischen Gleichung führen schließlich auf die Koeffizienten b und c des Schleifenfilters.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Integrator-Einheit einen ein Integrator-Rohsignal liefernden, bilinearen Integrator und eine dem bilinearen Integrator nachgeordnete Gleichsignalkorrektur-Einheit mit einem zweiten Mittelwertfilter zur Ermittlung eines Gleichsignalanteils des Integrator-Rohsignals umfasst, wobei die Gleichsignalkorrektur-Einheit den Gleichsignalanteil des Integrator-Rohsignals für ein erstes Netzperioden-Intervall ermittelt und diesen Gleichsignalanteil von einem Integrator-Rohsignal eines nachfolgenden Netzperioden-Intervalls subtrahiert.In a preferred embodiment of the device according to the invention, it is provided that the integrator unit comprises a bilinear integrator supplying an integrator raw signal and a DC equalizing unit downstream of the bilinear integrator with a second mean value filter for determining a DC signal component of the integrator raw signal, the DC signal correction Unit determines the DC component of the integrator raw signal for a first network period interval and subtracts this DC component of an integrator raw signal of a subsequent network period interval.
Eine Integrator-Einheit mit einem bilinearen Integrator ist kostengünstig zu fertigen. An dem bilinearen Integrator liegt als Eingangssignal das Rogowski-Spulensignal r(n) oder ein daraus abgeleitetes Eingangssignal an. Durch Integration des Eingangssignals liefert der bilineare Integrator ein dem Stromsignal i(t) proportionales Integrator-Rohsignal. Allerdings ist diesem Integrator-Rohsignal häufig ein schaltungsbedingter Gleichanteil aufgeprägt, der das Messergebnis verfälschen kann.An integrator unit with a bilinear integrator is inexpensive to manufacture. At the bilinear integrator is present as an input signal to the Rogowski coil signal r (n) or an input signal derived therefrom. By integrating the input signal, the bilinear integrator provides a raw integrator signal proportional to the current signal i (t). However, this integrator raw signal is often impressed by a circuit-related DC component, which can falsify the measurement result.
Um den Gleichanteil des Integrator-Rohsignals zu reduzieren, ist nach dem bilinearen Integrator eine Gleichsignalkorrektur-Einheit vorgesehen. Diese bestimmt zunächst für ein erstes Netzperioden-Intervall den Gleichanteil im Integrator-Rohsignal und subtrahiert diesen anschließend von dem Integrator-Rohsignal eines nachfolgenden Netzperioden-Intervalls. Durch diese Gleichsignalkorrektur-Einheit wird darüber hinaus ein Akkumulieren der Gleichsignalanteile in der Integrator-Einheit vermieden, so dass die durch den Einsatz der Rogowski-Spule erforderliche Integrator-Einheit vor Überlauf geschützt wird, ohne dass dadurch das zu messende Signal verfälscht wird.In order to reduce the DC component of the integrator raw signal, a DC signal correction unit is provided after the bilinear integrator. This first determines the DC component in the integrator raw signal for a first network period interval and then subtracts it from the integrator raw signal of a subsequent network period interval. Through this DC signal correction Unit is further avoided accumulating the DC components in the integrator unit, so that the required by the use of the Rogowski coil integrator unit is protected from overflow without thereby distorting the signal to be measured.
Unter einem Netzperioden-Intervall wird eine Zeitspanne verstanden, nach der sich der Verlauf des Stromsignals wiederholt. Im einfachsten Fall ist diese Zeitspanne eine Netzperiode. Vorzugsweise ist der Mittelwertfilter ein Tracking-Filter, der an die Netzperiode angepasst werden kann. Durch ein Tracking-Filter wird eine exakte Bestimmung der Messgrößen gewährleistet.A network period interval is understood to be a period of time after which the course of the current signal repeats itself. In the simplest case, this period of time is a network period. Preferably, the mean value filter is a tracking filter that can be adapted to the network period. A tracking filter ensures an exact determination of the measured quantities.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der bilineare Integrator eine Übertragungsfunktion aufweist, die dem folgenden mathematischen Ausdruck gehorcht:
Der bilineare Integrator ist zur Integration des dem Differential des Messstromes i(t) proportionalen Rogowski-Spulensignals r(n) oder daraus abgeleiteter Signale vorgesehen. Ein bilinearer Integrator mit einer Übertragungsfunktion gemäß oben genanntem mathematischem Ausdruck gewährleistet eine exakte Integration des zeitdiskreten Rogowski-Spulensignals. Die Integration erfolgt gestützt auf ein Netzperioden-Intervall.The bilinear integrator is provided for integrating the Rogowski coil signal r (n) or signals derived therefrom, which is proportional to the differential of the measurement current i (t). A bilinear integrator with a transfer function according to the above-mentioned mathematical expression ensures an exact integration of the discrete-time Rogowski coil signal. The integration is based on a grid period interval.
Dadurch, dass nach dem bilinearen Integrator eine Gleichsignalkorrektur-Einheit mit einem Mittelwertfilter mit der obengenannten Übertragungsfunktion angeordnet ist, liegt das Ausgangssignal des bilinearen Integrators, also das für ein Netzperioden-Intervall ermittelte Integrator-Rohsignal, oder ein daraus abgeleitetes Signal, als Eingangssignal am Mittelwertfilter an. Der Mittelwertfilter lässt einen eventuell in diesem Signal vorhandenen Gleichanteil ungefiltert passieren, so dass dieser für eine Subtraktion von einem Integrator-Rohsignal eines nachfolgenden Netzperioden-Intervalls zur Verfügung steht.Characterized in that after the bilinear integrator a DC signal correction unit is arranged with a mean value filter with the above transfer function, the output of the bilinear integrator, so the determined for a network period interval integrator raw signal, or a signal derived therefrom, as an input to the average filter at. The mean value filter allows any DC component present in this signal to pass unfiltered, so that it is available for a subtraction from an integrator raw signal of a subsequent network period interval.
Ein Mittelwertfilter, das die obengenannte Übertragungsfunktion aufweist, ist ein getasteter, signaladaptierter Mittelwertfilter, dessen Integrationsintervall über den Unterabtastfaktor M kontinuierlich an die Signalperiode 1/f angepasst wird. Dadurch, dass der Mittelwertfilter exakt an die Netzperiode angepasst werden kann, ermöglicht dieser eine exakte Bestimmung des Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals r(n); er lässt sich darüber hinaus auch als Rechteckfenster einer Diskreten Fourier-Transformation (DFT) mit der Fensterlänge M und der Abtastfrequenz fa verstehen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich das gefensterte Signal periodisch fortsetzt.A mean value filter having the above-mentioned transfer function is a keyed, signal-adapted mean value filter whose integration interval is continuously adjusted to the
Es hat sich bewährt, wenn der zweite Analog-Digital-Wandler mit der Abtastfrequenz fa des ersten Analog-Digital-Wandlers arbeitet, wobei die Abtastfrequenz fa mindestens das 100-fache der Netzfrequenz beträgt.It has proven useful when the second analog-to-digital converter operates at the sampling frequency fa of the first analog-to-digital converter, the sampling frequency fa being at least 100 times the mains frequency.
Dadurch, dass der erste und der zweite Analog-Digital-Wandler mit der Abtastfrequenz fa arbeiten, wird eine einfache Synchronisierung der Messsignale ermöglicht. Eine Abtastfrequenz, die mindestens das 100-fache der Netzfrequenz beträgt, gewährleistet eine exakte Messgrößen-Bestimmung.Characterized in that the first and the second analog-to-digital converter operate at the sampling frequency fa, a simple synchronization of the measurement signals is made possible. A sampling frequency that is at least 100 times the mains frequency ensures an exact measured value determination.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Phasenregelschleife zur Bestimmung eines Netzperioden-Intervalls einen Unterabtastzeitpunkt p und einen Unterabtastfaktor M festlegt, und diese an die Integrator-Einheit zur Verwendung bei der Bestimmung des Integrator-Signals i(n) überträgt.An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the phase locked loop for determining a grid period interval sets a sub-sampling time p and a sub-sampling factor M, and transmits them to the integrator unit for use in the determination of the integrator signal i (n).
Der Vorrichtung liegt ein Signalverarbeitungsalgorithmus zugrunde, der als Multiratensystem mit einer Anzahl M von Abtastzeitpunkten n und einem Unterabtastzeitpunkt p pro Netzperiode 1/f arbeitet.The device is based on a signal processing algorithm which operates as a multirate system with a number M of sampling times n and a sub-sampling time p per
Da die Phasenregelschleife dem Spannungssignal u(n) folgt, sind die einzelnen Abtastzeitpunkte n durch die Abtastfrequenz des zugeordneten Digital-Analog-Wandlers definiert.Since the phase-locked loop follows the voltage signal u (n), the individual sampling times n are defined by the sampling frequency of the associated digital-to-analog converter.
Der Unterabtastzeitpunkt p entspricht dem letzten Abtastzeitpunkt n einer detektierten Signalperiode des Referenzsignals. Vorzugswiese ist ein Unterabtastzeitpunkt p der Zeitpunkt des positiven Nulldurchgangs, beispielsweise einer sinusförmigen Signalperiode. In diesem Fall ist die Periodendauer die Zeit, die bis zu dem nächsten positiven Nulldurchgang verstreicht, der den Unterabtastzeitpunkt p + 1 der nachfolgenden Periode festlegt. Eine Periodendauer umfasst eine Mehrzahl von Abtastzeitpunkten n.The sub-sampling time p corresponds to the last sampling time n of a detected signal period of the reference signal. Preferably, a sub-sampling time p is the time of the positive zero crossing, for example a sinusoidal signal period. In this case, the period duration is the time that elapses until the next positive zero crossing, which sets the sub-sampling time p + 1 of the subsequent period. A period duration includes a plurality of sampling times n.
Der Unterabtastfaktor M bezeichnet die Anzahl der Abtastzeitpunkte n, die zwischen Unterabtastzeitpunkt p und dem Unterabtastzeitpunkt p + 1 liegen. Die Anzahl der Abtastzeitpunkte M kann im zeitlichen Verlauf von Netzperiode zu Netzperiode variieren.The subsampling factor M denotes the number of sampling times n which are between sub-sampling time p and sub-sampling
Die von der Phasenregelschleife generierten Steuerparameter p und M ermöglichen eine synchrone Auswertung aller von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassten Messsignale, wie beispielswiese die netzperiodengestützte Integration des Rogowski-Spulensignals. Die netzperiodensynchrone Auswertung gewährleistet insbesondere eine exakte Bestimmung zusammengesetzter Messgrößen, wie Wechselstromarbeit oder Wechselstromleistung. The control parameters p and M generated by the phase locked loop enable a synchronous evaluation of all measured signals detected by the device according to the invention, such as, for example, the grid period-based integration of the Rogowski coil signal. The network period-synchronous evaluation ensures in particular an exact determination of composite measured variables, such as AC work or AC power.
Da eine Rogowski-Spule nur Wechselströme erfassen kann, sollte das mit der Rogowski-Spule aufgenommene und im Messkanal aufbereitete Rogowski-Spulensignal r(n) idealerweise keinen Gleichanteil enthalten. In der Praxis ist dies allerdings nicht erreichbar. So wird schaltungsbedingt dem Rogowski-Spulensignal häufig ein Gleichanteil aufgeprägt, der das Messergebnis verfälscht.Since a Rogowski coil can only detect alternating currents, the Rogowski coil signal r (n) recorded with the Rogowski coil and processed in the measuring channel should ideally not contain a DC component. In practice, however, this is not achievable. Thus, due to the circuit, the Rogowski coil signal is often impressed with a DC component, which distorts the measurement result.
Um dennoch eine exakte Ermittlung des Stromsignals des Leiters und der daraus abgeleiteten Messgrößen zu gewährleisten, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass störende Gleichanteile des Rogowski-Spulensignals für jede einzelne Netzperiode in der Integrator-Einheit festgestellt und eliminiert werden.In order nevertheless to ensure an exact determination of the current signal of the conductor and the measured variables derived therefrom, it is provided in the method according to the invention that interfering DC components of the Rogowski coil signal are detected and eliminated for each individual network period in the integrator unit.
Unterabtastzeitpunkt p und Unterabtastfaktor M werden von der Phasenregelschleife ermittelt. Eventuell vorhandene Gleichspannungs- beziehungsweise Gleichstromanteile, beispielsweise im Rogowski-Spulensignal r(n) oder im Ausgangssignal der Integrator-Einheit, werden für ein erstes Netzperioden-Intervall ausgehend von einem Startzeitpunkt p des ersten Netzperioden-Intervalls ermittelt. Sie stehen dann für eine Subtraktion dieser Gleichanteile von dem Rogowski-Spulensignal r(n) beziehungsweise dem Ausgangssignal der Integrator-Einheit in einem nachfolgenden Netzperioden-Intervall, beispielsweise dem Netzperioden-Intervall mit dem Startzeitpunkt p + 1, zur Verfügung.Sub-sampling time p and sub-sampling factor M are detected by the phase locked loop. Any existing direct current or direct current components, for example in the Rogowski coil signal r (n) or in the output signal of the integrator unit, are determined for a first network period interval starting from a starting time p of the first network period interval. They are then available for a subtraction of these DC components from the Rogowski coil signal r (n) or the output signal of the integrator unit in a subsequent network period interval, for example the network period interval with the start
Der zur Nachbildung des Stromsignals i(t) notwendige Integrator ist durch die Transformationsgleichung s = 2/T(1 – z–1)/(1 + z–1) der bilinearen z-Transformation sowohl für den analogen als auch für den diskreten Bereich definiert.
Mit T = 2π/M ergibt sich für den bilinearen Integrator die Übertragungsfunktion
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zur Bestimmung unerwünschter Gleichanteile in den Messsignalen, wie auch zur Zusammenfassung von Messergebnissen diskrete Mittelwertfilter als Nachlauf- oder Tracking-Filter eingesetzt, deren Filterlänge kontinuierlich an die Periodendauer 1/f des analysierten Signals angepasst wird. Solche Tracking-Filter ermöglichen eine hohe Messwertauflösung (f/fa) und können durch folgende Übertragungsfunktion realisiert werden:
Ein Filter, das diese Übertragungsfunktion aufweist und dessen Filterlänge (Integrationsintervall) über den Unterabtastfaktor M an die Periodendauer 1/f des Eingangssignals adaptiert ist, zeigt jeweils zum Unterabtastzeitpunkt p den Gleichanteil einer einzelnen Signalperiode des Eingangssignals an. Die Funktion des Mittelwertfilters lässt sich damit als Einzelkanal einer Diskreten Fourier-Transformation (DFT) mit Rechteckfenster (Fensterlänge M, Abtastfrequenz fa) verstehen. Auch hier wird davon ausgegangen, dass sich das gefensterte Signal periodisch fortsetzt.A filter which has this transfer function and whose filter length (integration interval) is adapted to the
Zur Eliminierung störender Gleichanteile in den Messsignalen zur Regenerierung des Stromsignals i(t) weist die Integrator-Einheit sowohl ein Gleichanteilkorrektur-Modul für das Rogowski-Spulensignal r(n) als auch ein Startwertkorrektur-Modul für das Integrator-Signal i(n) auf.To eliminate disturbing DC components in the measurement signals for regenerating the current signal i (t), the integrator unit has both a DC component correction module for the Rogowski coil signal r (n) and a start value correction module for the integrator signal i (n) ,
Das Gleichanteilkorrektur-Modul bestimmt über ein erstes nachgeführtes Mittelwertfilter zunächst für eine erste Netzperiode p den Gleichanteil rmean[p] des Rogowski-Spulensignals r(n)p und subtrahiert diesen Gleichanteil rmean[p] von den einzelnen Abtastwerten des Rogowski-Spulensignals r(n)p+1 der nachfolgenden Netzperiode p + 1, so dass ein gleichsignalfreies Rogowski-Spulensignal r°(n)p+1 = r(n)p+1 – rmean[p] entsteht.The DC component correction module first determines the DC component r mean [p] of the Rogowski coil signal r (n) p via a first tracked mean value filter and subtracts this DC component r mean [p] from the individual sample values of the Rogowski coil signal r (n) p + 1 of the subsequent network period p + 1, so that a signal signal without Rogowski coil r ° (n) p + 1 = r (n) p + 1 - r mean [p] is formed.
Es ist vorgesehen, dass der im Gleichanteilkorrektur-Modul eingesetzte Korrekturwert aus jeweils einer Netzperiode des Rogowski-Spulensignals r(n) bestimmt wird. Darüber hinaus könnte als Korrekturwert auch ein mittlerer Gleichanteil, beispielsweise in Form eines arithmetischen Mittelwerts, über mehrere Netzperioden zum Einsatz kommen.It is provided that the correction value used in the DC component correction module is determined from in each case one network period of the Rogowski coil signal r (n). In addition, a mean DC component, for example in the form of an arithmetic mean, over several network periods could also be used as a correction value.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Integrator-Einheit eine Korrektur-Einheit mit einem ersten Mittelwertfilter zur Bestimmung eines Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals r(n) umfasst, wobei die Korrektur-Einheit den Gleichanteil des Rogowski-Spulensignals r(n) für ein erstes Netzperioden-Intervall ermittelt und diesen Gleichanteil von einem für ein nachfolgendes Netzperioden-Intervall ermittelten Rogowski-Spulensignal r(n) unter Ausgabe eines gleichsignalarmen Rogowski-Spulensignals r0(n) subtrahiert.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention it is provided that the integrator unit comprises a correction unit with a first average filter for determining a DC component of the Rogowski coil signal r (n), wherein the correction unit the DC component of the Rogowski coil signal r (n) for a first network period interval determined and this DC component of a determined for a subsequent network period interval Rogowski coil signal r (n) below Output of a low-signal Rogowski coil signal r 0 (n) subtracted.
Da auch dem Rogowski-Spulensignal r(n) häufig ein schaltungsbedingter Gleichanteil aufgeprägt ist, der bei einer Integration der Rogowski-Spulenspannung r(n) das Integrator-Signal verfälschen kann, ist vorgesehen, dass die Integrator-Einheit eine Korrektureinheit zur Bestimmung des Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals r(n) umfasst. Hierdurch wird ein gleichsignalarmes Rogowski-Spulensignal r0(n) erhalten. Auch die Ermittlung des Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals r(n) erfolgt netzperiodengestützt. Hierzu wird die von der Phasenregelschleife ermittelte Netzperiode an den Mittelwertfilter der Korrektur-Einheit zur Verwendung bei der Bestimmung des Gleichanteils übertragen.Since even the Rogowski coil signal r (n) is often impressed with a circuit-related DC component which can corrupt the integrator signal when integrating the Rogowski coil voltage r (n), it is provided that the integrator unit is a correction unit for determining the DC component of the Rogowski coil signal r (n). As a result, a low-signal Rogowski coil signal r 0 (n) is obtained. The determination of the DC component of the Rogowski coil signal r (n) is also network-period-based. For this purpose, the network period determined by the phase locked loop is transmitted to the mean value filter of the correction unit for use in the determination of the DC component.
Dadurch, dass die Phasenregelschleife die Netzperiode an den Mittelwertfilter überträgt, wird die Ermittlung des Gleichsignalanteils der integrierten Rogowski-Spulenspannung für ein Netzperioden-Intervall ermöglicht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gleichanteilkorrektureinheit den Gleichanteil eines ersten Netzperioden-Intervalls bestimmt, der dann von der Rogowski-Spulenspannung eines nachfolgenden Netzperioden-Intervalls subtrahiert wird. Darüber hinaus könnte als Korrektur-Einheit auch ein mittlerer Gleichanteil, beispielsweise in Form eines arithmetischen Mittelwerts, über mehrere Netzperioden zum Einsatz kommen.The fact that the phase-locked loop transmits the grid period to the mean value filter enables the determination of the DC signal component of the integrated Rogowski coil voltage for a grid period interval. According to the invention, the DC component correction unit determines the DC component of a first network period interval, which is then subtracted from the Rogowski coil voltage of a subsequent network period interval. In addition, as a correction unit, a middle DC component, for example in the form of an arithmetic mean, could be used over several network periods.
Das gleichsignalfreie Rogowski-Spulensignal r°(n) liegt am Eingang des bilinearen Integrators, der daraus ein dem Stromsignal i(t) proportionales Integrator-Signal i(n) erzeugt. Allerdings kann dieses Integrator-Signal noch einen signalbedingten Gleichanteil aufweisen.The DC-free Rogowski coil signal r ° (n) is located at the input of the bilinear integrator, which generates therefrom an integrator signal i (n) proportional to the current signal i (t). However, this integrator signal may still have a signal-related DC component.
Deshalb ist eine weitere Korrekturmaßnahme zum jeweiligen Startzeitpunkt der einzelnen Netzperioden vorgesehen. Ein nachgeführtes Mittelwertfilter im Startwertkorrektur-Modul bestimmt zunächst für eine erste Netzperiode p den Gleichanteil imean[p] des Integrator-Signals i(n)p, der zu Beginn der nachfolgenden Netzperiode p + 1 in die Differenzengleichung des bilinearen Integrators als Korrekturwert imean[p] eingesetzt wird. Das heißt zum Startzeitpunkt der Netzperiode p + 1 wird die Differenzengleichung i(n)p+1 = π/M{r°(n)p+1 + r°(n – 1)p+1} + i(n – 1)p+1 um den Subtrahenten imean[p] erweitert.Therefore, a further corrective action is provided for each start time of the individual network periods. A tracked mean value filter in the starting value correction module first determines, for a first network period p, the DC component i mean [p] of the integrator signal i (n) p , which at the beginning of the subsequent network period p + 1 in the difference equation of the bilinear integrator as a correction value i mean [p] is used. That is, at the start time of the grid period p + 1, the difference equation i (n) p + 1 = π / M {r ° (n) p + 1 + r ° (n-1) p + 1 } + i (n-1 ) p + 1 is extended by the subtrahend i mean [p].
Das Integrator-Signal i(n) liegt also am Eingang eines nachgeführten Mittelwertfilters, das einen eventuell im Signal vorhandenen Gleichanteil imean[p] ungefiltert passieren lässt, so dass dieser zu Beginn der nachfolgenden Netzperiode p + 1 für eine Startwertkorrektur des Integrator-Signals i(n)p+1 zur Verfügung steht. Diese Korrekturmaßnahme verhindert ein Akkumulieren von Gleichanteilen und schützt den Integrator vor Überlauf, ohne das Messsignal zu verfälschen.The integrator signal i (n) thus lies at the input of a tracked average filter, which can pass unfiltered any direct component i mean [p] present in the signal so that it at the beginning of the subsequent network period p + 1 for a start value correction of the integrator signal i (n) p + 1 is available. This corrective action prevents the accumulation of DC components and protects the integrator from overflowing without distorting the measurement signal.
Durch die netzperiodengestützte Auswertung des Stromsignals sowie durch eine synchronisierte Auswertung aller von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassten Messsignale wird eine exakte Messung gewährleistet. Dies gilt insbesondere für die Bestimmung zusammengesetzter Messgrößen, beispielsweise einer Leistung oder einer Arbeit.An accurate measurement is ensured by the network period-based evaluation of the current signal as well as by a synchronized evaluation of all measured signals detected by the device according to the invention. This applies in particular to the determination of composite measured variables, for example a service or a work.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Integrator-Einheit eine Korrektur-Einheit mit einem ersten Mittelwertfilter zur Bestimmung eines Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals r(n) umfasst, wobei die Korrektur-Einheit den Gleichanteil des Rogowski-Spulensignals r(n) für ein erstes Netzperioden-Intervall ermittelt und diesen Gleichanteil von einem für das erste Netzperioden-Intervall ermittelten Rogowski-Spulensignal r(n) unter Ausgabe eines gleichsignalarmen Rogowski-Spulensignals r0(n) subtrahiert.In another advantageous embodiment of the device according to the invention it is provided that the integrator unit comprises a correction unit with a first average filter for determining a DC component of the Rogowski coil signal r (n), wherein the correction unit the DC component of the Rogowski coil signal r (n) is determined for a first network period interval and subtracts this DC component from a determined for the first network period interval Rogowski coil signal r (n) with the output of a low-signal Rogowski coil signal r 0 (n) subtracted.
Dadurch, dass der für eine erste Netzperiode Gleichanteil des Rogowski-Spulensignals auch von dem für diese Netzperiode ermittelten Rogowski-Spulensignal subtrahiert wird, wird eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet. Um dies zu erreichen, ist beispielsweise ein zusätzliches Laufzeitglied im Gleichanteilkorrektur-Modul vorgesehen.Characterized in that the subtracted for a first network period DC component of the Rogowski coil signal from the determined for this network period Rogowski coil signal, a high measurement accuracy is ensured. In order to achieve this, for example, an additional delay element is provided in the DC component correction module.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der zweite Mittelwertfilter eine Übertragungsfunktion aufweist, die dem folgenden mathematischen Ausdruck genügt:
Ein Mittelwertfilter mit der oben genannten Übertragungsfunktion ist ebenfalls ein Tracking-Filter, der über die Steuersignale der Phasenregelschleife an die Netzperiode angepasst werden kann. Ein solcher Mittelwertfilter ermöglicht eine exakte Bestimmung des Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals bezogen auf ein Netzperioden-Intervall.A mean value filter with the above-mentioned transfer function is likewise a tracking filter, which can be adapted to the network period via the control signals of the phase locked loop. Such a mean value filter enables an exact determination of the DC component of the Rogowski coil signal with respect to a network period interval.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass nach der Integrator-Einheit ein Multiplizierer zur Multiplikation des zeitdiskreten Spannungssignals u(n) mit dem Integrator-Signal i(n) angeordnet ist, und dass nach dem Multiplizierer ein dritter Mittelwertfilter angeordnet ist, wobei die Phasenregelschleife den Unterabtastzeitpunkt p und den Unterabtastfaktor M als Steuersignale zur Verwendung bei der Filterung an den dritten Mittelwertfilter überträgt.In a further preferred embodiment of the device according to the invention it is provided that after the integrator unit, a multiplier for multiplying the discrete-time voltage signal u (n) with the integrator signal i (n) is arranged, and that after the multiplier, a third average filter is arranged wherein the phase-locked loop transmits the sub-sampling time p and the sub-sampling factor M as control signals for use in the filtering to the third average filter.
Ein Multiplizierer ermöglicht die Bestimmung zusammengesetzter Messgrößen, beispielsweise einer Leistung, einer Arbeit oder einer Energie. Die Produkte aus den Abtastwerten von Strom und Spannung am Ausgang des Multiplizierers werden vom dritten Mittelwertfilter zur mittleren Stromleistung einzelner Netzperioden zusammengefasst. Dabei bildet die Summe aus M Produkten zum Zeitpunkt p ein Messergebnis, das der mittleren Leistung (Leistungp = Energiep·fa/M) der Netzperiode p entspricht. A multiplier allows the determination of composite measures, such as power, work or energy. The products from the samples of current and voltage at the output of the multiplier are combined by the third average filter to the average power output of individual grid periods. The sum of M products at time p forms a measurement result which corresponds to the average power (power p = energy p * f a / M) of the network period p.
Es hat sich bewährt, wenn der dritte Mittelwertfilter eine Übertragungsfunktion aufweist, die dem folgenden mathematischen Ausdruck gehorcht: wobei j eine Laufvariable, M der Unterabtastfaktor und z ein Laufzeitglied ist.It has proven useful if the third mean value filter has a transfer function that obeys the following mathematical expression: where j is a running variable, M is the sub-sampling factor and z is a delay element.
Ein Mittelwertfilter mit der oben genannten Übertragungsfunktion ist ebenfalls ein sogenannter Tracking-Filter, der über die Steuersignale der Phasenregelschleife an die Netzperiode angepasst werden kann. Ein solcher Mittelwertfilter ermöglicht eine exakte Bestimmung zusammengesetzter Messgrößen bezogen auf ein Netzperioden-Intervall.A mean value filter with the above-mentioned transfer function is likewise a so-called tracking filter, which can be adapted to the network period via the control signals of the phase-locked loop. Such a mean value filter enables an exact determination of composite measured quantities in relation to a network period interval.
In einer weiteren, ebenso bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur graphischen Erfassung von Wechselstromparametern, vorzugsweise von Drehstromparametern, eine graphische Ausgabeeinheit vorgesehen, die die Blindenergie des Wechselstroms pro Netzperiodenintervall in Abhängigkeit von der Wirkenergie des Wechselstroms pro Netzperiodenintervall darstellt.In a further, likewise preferred embodiment of the device according to the invention, a graphical output unit is provided for the graphical detection of AC parameters, preferably of three-phase parameters, which represents the reactive energy of the alternating current per network period interval as a function of the active energy of the alternating current per network period interval.
Durch eine graphische Ausgabeeinheit wird eine zeitnahe graphische Darstellung der komplexen Leistungszustände im Wechselstromnetz ermöglicht. Diese graphische Darstellung der Analyseergebnisse erleichtert ein Erkennen des Leistungszustands im Wechselstromnetz; sie ist einfach und schnell zu beurteilen. Die graphische Darstellung erfolgt in einem Polardiagramm, das die pro Netzperiode umgesetzte Scheinenergie des Wechselstroms in Abhängigkeit des Phasenwinkels (Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung) darstellt. Ein solches Phasenzustandsdiagramm weist vier Quadranten auf und kann in kartesischen Koordinaten als Darstellung der pro Netzperiode umgesetzten Blindenergie des Wechselstroms über der pro Netzperiode umgesetzten Wirkenergie des Wechselstroms gesehen werden. Für jede der bis zu drei analysierten Netzphasen wird pro detektierter Netzperiode ein Messpunkt in das Phasenzustandsdiagramm eingetragen.A graphical output unit enables a timely graphical representation of the complex power states in the AC network. This graph of analysis results facilitates detection of the power state in the AC grid; it is easy and quick to judge. The graphical representation is shown in a polar diagram, which represents the per-grid period converted apparent energy of the alternating current as a function of the phase angle (phase difference between current and voltage). Such a phase state diagram has four quadrants and can be seen in Cartesian coordinates as a representation of the reactive energy of the alternating current converted per network period over the active energy of the alternating current converted per network period. For each of the up to three network phases analyzed, one measurement point is entered in the phase state diagram per detected network period.
In der graphischen Ausgabeeinheit wird die mittlere Stromleistung einer Netzperiode als Messpunkt S(φ, r) dargestellt. Der Abstand r, das heißt die Strecke zwischen dem Ursprung des Phasenzustandsdiagramms und dem Messpunkt, entspricht dabei der Scheinleistung. Der Winkel φ des Messpunktes bildet darüber hinaus die Phasenlage des Messsignals ab. Es gilt die Winkelfunktion cos(φ) = Blindleistung/Wirkleistung.In the graphical output unit, the mean power output of a grid period is represented as the measuring point S (φ, r). The distance r, ie the distance between the origin of the phase state diagram and the measuring point, corresponds to the apparent power. The angle φ of the measuring point furthermore forms the phase position of the measuring signal. The angle function cos (φ) = reactive power / active power applies.
Die allgemeine Gleichung Scheinleistung = Spannung·Strom (S = U·I) definiert das Stromsignal des Leiters I als Modulationssignal Imod. Dieses Modulationssignal Imod kann durch vier spezifische Widerstandsoperatoren geprägt sein und wird vektoriell verknüpft in den Quadranten des Phasenzustandsdiagramms abgebildet. Liegt der eingetragene Messpunkt beispielsweise auf der positiven Abszissenachse, kann das zugehörige Modulationssignal Imod1 durch den mathematischen Ausdruck Imod1 = U·(1/R) dargestellt werden. Liegt hingegen der Messpunkt auf der positiven Ordinatenachse, dann gilt das Modulationssignal Imod2 und die Beziehung Imod2 = U·(j·2π·f·C).The general equation apparent power = voltage · current (S = U · I) defines the current signal of the conductor I as a modulation signal Imod. This modulation signal Imod may be characterized by four specific resistance operators and vectorially linked in the quadrant of the phase state diagram. If the registered measuring point lies, for example, on the positive axis of abscissa, the associated modulation signal Imod 1 can be represented by the mathematical expression Imod 1 = U * (1 / R). If, on the other hand, the measuring point lies on the positive ordinate axis, the modulation signal Imod 2 and the relationship Imod 2 = U * (j * 2π * f * C) apply.
Die Gleichung Imod3 = U·(–1/R) beschreibt einen Messpunkt auf der negativen Abszissenachse und der mathematische Ausdruck Imod4 = U·(–j/(2π·f·L)) einen Messpunkt auf der negativen Ordinatenachse, wobei j die imaginäre Einheit, f die Netzfrequenz, R ein ohmscher Widerstand, C eine Kapazität und L eine Induktivität ist.The equation Imod 3 = U * (-1 / R) describes a measurement point on the negative axis of abscissa and the mathematical expression Imod 4 = U * (-j / (2π * f * L)) a measurement point on the negative ordinate axis, where j the imaginary unit, f the line frequency, R an ohmic resistance, C is a capacitance and L is an inductance.
Es hat sich bewährt, wenn der erste, der zweite oder der dritte Mittelwertfilter durch die Übertragungsfunktion
Ein Mittelwertfilter mit der oben genannten Übertragungsfunktion ist ein sogenannter Tracking-Filter, der über die Steuersignale der Phasenregelschleife an die Netzperiode angepasst werden kann. Ein solcher Mittelwertfilter ermöglicht eine exakte Bestimmung des Gleichanteils des Rogowski-Spulensignals bezogen auf ein Netzperioden-Intervall.An average filter with the above-mentioned transfer function is a so-called tracking filter, which can be adapted to the network period via the control signals of the phase-locked loop. Such a mean value filter enables an exact determination of the DC component of the Rogowski coil signal with respect to a network period interval.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Messen eines Wechselstroms in einem Leiter wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach dem Verfahrensschritt (b) des Digitalisierens des Spannungssignals u(t) die Netzperiode des zeitdiskreten Spannungssignals u(n) über eine Phasenregelschleife ermittelt und an die Integrator-Einheit übertragen wird, wobei die Netzperiode bei der Ermittlung des Integrator-Signals i(n) verwendet wird.With regard to the method for measuring an alternating current in a conductor, the abovementioned object is achieved on the basis of a method of the type mentioned in the introduction in that after the method step (b) of digitizing the voltage signal u (t) the network period of the time-discrete voltage signal u (n ) is detected via a phase locked loop and transmitted to the integrator unit, wherein the Grid period in the determination of the integrator signal i (n) is used.
Bei herkömmlichen Verfahren zum Messen eines Wechselstroms in einem Leiter ist vorgesehen, dass das Spannungssignal u(t) des Leiters über einen Spannungssensor erfasst und anschließend mit einem ersten Analog-Digital-Wandler in ein zeitdiskretes Spannungssignal u(n) umgewandelt wird. Weiterhin wird das Stromsignal i(t) des Leiters über eine Rogowski-Spule erfasst, die ein dem Differential des Stromsignals i(t) proportionale Rogowski-Spulenspannung r(t) liefert. Die Rogowski-Spulenspannung r(t) wird nachfolgend mittels einem zweiten Analog-Digital-Wandler in ein zeitdiskretes Rogowski-Spulensignal gewandelt und mit einer Integrator-Einheit integriert, so dass ein dem Stromsignal i(t) proportionales Integrator-Signal i(n) erhalten wird.In conventional methods for measuring an alternating current in a conductor, it is provided that the voltage signal u (t) of the conductor is detected by a voltage sensor and subsequently converted by a first analog-to-digital converter into a time-discrete voltage signal u (n). Furthermore, the current signal i (t) of the conductor is detected via a Rogowski coil which supplies a Rogowski coil voltage r (t) proportional to the differential of the current signal i (t). The Rogowski coil voltage r (t) is subsequently converted into a time-discrete Rogowski coil signal by means of a second analog-to-digital converter and integrated with an integrator unit, so that an integrator signal i (n) proportional to the current signal i (t) is obtained. is obtained.
Da eine Rogowski-Spule nur Wechselströme erfasst, sollte die mit der Rogowski-Spule ausgegebene Rogowski-Spulenspannung idealerweise keinen Gleichanteil aufweisen. In der Praxis ist dies allerdings nicht erreichbar. So wird schaltungsbedingt der Rogowski-Spulenspannung, dem Rogowski-Spulensignal und dem Integrator-Signal häufig ein Gleichanteil aufgeprägt, der das Messergebnis verfälschen kann. Um dennoch eine exakte Ermittlung des Stromsignals und der daraus abgeleiteten Messgrößen zu gewährleisten, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der zu messende Wechselstrom netzperiodengestützt, das heißt, bezogen auf eine oder mehrere Netzperioden ermittelt wird. Da sowohl das Stromsignal als auch das Spannungssignal eine Netzfrequenz aufweisen, kann der Bestimmung einer Netzperiode sowohl das Spannungssignal als auch das Stromsignal des Leiters zugrunde gelegt werden.Since a Rogowski coil detects only AC currents, the Rogowski coil voltage output by the Rogowski coil should ideally not have a DC component. In practice, however, this is not achievable. Thus, due to the circuit, the Rogowski coil voltage, the Rogowski coil signal and the integrator signal are often impressed with a DC component which can falsify the measurement result. In order nevertheless to ensure an exact determination of the current signal and the measured variables derived therefrom, it is provided in the method according to the invention that the alternating current to be measured is network-cycle-based, that is to say determined with reference to one or more network periods. Since both the current signal and the voltage signal have a network frequency, the determination of a network period can be based on both the voltage signal and the current signal of the conductor.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher vorgesehen, dass die Netzperiode des zeitdiskreten Spannungssignals u(n) über eine Phasenregelschleife ermittelt und an die Integrator-Einheit übertragen wird. Die ermittelte Netzperiode steht nachfolgend als Steuersignal zur Verfügung.In the method according to the invention, it is therefore provided that the network period of the time-discrete voltage signal u (n) is determined via a phase locked loop and transmitted to the integrator unit. The determined network period is subsequently available as a control signal.
In der Integrator-Einheit wird die Netzperiode bei der Ermittlung des Integrator-Signals i(n) verwendet. Hierdurch wird eine netzperiodengestützte Auswertung sowie nachfolgend eine synchronisierte Auswertung der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassten Messsignale, beispielsweise des Spannungssignals und des Stromsignals, ermöglicht, so dass eine exakte Messung gewährleistet wird. Dies gilt insbesondere für die Bestimmung zusammengesetzter Messgrößen, beispielsweise einer Leistung oder einer Arbeit.In the integrator unit, the grid period is used in determining the integrator signal i (n). In this way, a network period-based evaluation and subsequently a synchronized evaluation of the measurement signals detected by the device according to the invention, for example the voltage signal and the current signal, are made possible, so that an exact measurement is ensured. This applies in particular to the determination of composite measured variables, for example a service or a work.
Geeignete Verfahrensmodifikationen ergeben sich aus den obigen Erläuterungen zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Suitable method modifications result from the above explanations of the device according to the invention.
Ausführungsbeispielembodiment
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer DarstellungThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments and some drawings. This shows in a schematic representation
Im Stromkanal
Darüber hinaus sind im Stromkanal
Im Spannungskanal
Zur Erfassung der Netzperiode des digitalisierten Spannungssignals u(n) wird die digitale Phasenregelschleife
Die Phasenregelschleife
Der der Vorrichtung zugrundeliegende Signalverarbeitungsalgorithmus arbeitet als Multiratensystem. Die von der Phasenregelschleife ermittelten Unterabtastzeitpunkte p und Unterabtastfaktoren M werden als Steuersignale in der Integrator-Einheit
In der im Stromkanal
Zur Bestimmung weiterer Wechselstromparameter, beispielsweise der Leistung, oder der Arbeit, ist nach der Integrator-Einheit
Dadurch, dass das Integrator-Signal i(n) und das Spannungssignal u(n) netzperiodengestützt ermittelt werden, sind auch die daraus abgeleiteten Messgrößen für jede Netzperiode ermittelbar. In
Das Leistungs-Messgerät
Im Spannungskanal
Der Hochpass-Filter
Darüber hinaus umfasst das Leistungs-Messgerät
Der Mittelwertfilter
Das hierdurch erhaltene gleichsignalfreie Rogowski-Spulensignal r°(n) wird mit einem bilinearen Integrator
Bei der Generierung des Integrator-Signals i(n) wird dessen Gleichsignalanteil für jede Netzperiode bestimmt und durch den Schalter
Ausgangssignal
In
Die Phasenregelschleifen
Schließlich weist die Vorrichtung
Das Ausgangssignal i1(n) der Integrator-Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus
Das Ausgangssignal der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung gemäß
Zur Erläuterung der Funktion der Integrator-Einheit
Im vorliegenden Beispiel weist die Rogowski-Spulenspannung r(n) einen Gleichsignalanteil auf. Dies ist unter anderem am Pegelunterschied des Eingangssignals r(n) zwischen den ersten beiden Netzperioden p und p + 1 zu erkennen, der sich daraus ergibt, dass der vom ersten Mittelwertfilter
In
Das in
Das Netzleistungszustandsdiagramm
So ist beispielsweise aus der Punktwolke
Die Punktwolke
Die dritte Netzphase wird im Testbeispiel zum Phasenzustandsdiagramm
Zur näheren Beschreibung der Punktwolken
Das Netzleistungszustandsdiagramm (in der Scheinleistungsebene) kann zur effektiven Unterscheidung verschiedener Zustände im Wechselstromversorgungsnetz eingesetzt werden. Es ist vergleichbar mit dem Phasenzustandsdiagramm (in der komplexen Signalebene) das zur Unterscheidung von Modulationsarten in der Nachrichtenübertragung eingesetzt wird.The network power state diagram (in the apparent power level) can be used to effectively differentiate different states in the AC power grid. It is similar to the phase state diagram (in the complex signal plane) used to distinguish modulation types in message transmission.
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