DE69526023T2

DE69526023T2 - Datenerfassung und -verarbeitung für digitale Wechselstromsystemüberwacher/-analysierer

Info

Publication number: DE69526023T2
Application number: DE69526023T
Authority: DE
Inventors: Robert Tracy Elms
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: EP0708339A3; US5587917A; EP0708339B1; DE69526023D1; CA2160655C; CA2160655A1; EP0708339A2; ZA958629B; JPH08211112A; AU3304195A; NZ280115A; BR9504836A; AU697726B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Datensammlung und die Verarbeitung dieser Daten in einer digitalen Vorrichtung, die Messfunktionen durchführen kann und auch eine Analyse von harmonischen Störungen einer Wellenform in einem elektrischen Leistungssystem mit Wechselstrom.

Hintergrundinformation

Monitor des Standes der Technik für Wechselstromleistungssysteme beinhalten Mikrocomputer für die Berechnung von verschiedenen elektrischen Parametern, wie beispielsweise RMS-Ströme und Spannungen, Spitzenströme und Spannungen, Leistung, Energie, Leistungsfaktoren und dergleichen. Typischer Weise ist die Tastrate, mit welcher analoge Wellenformen des elektrischen Leistungssystems digitalisiert werden für eine Eingabe in den Mikroprozessor, ein Kompromiss zwischen einer hohen Tastrate, die für eine erhöhte Genauigkeit erwünscht ist, und niedrigen Raten, die auferlegt sind durch die benötigte Rechnerzeit für den Prozessor zum Berechnen von verschiedenen elektrischen Parametern, die als Ausgaben erwünscht sind.
Wellenformanalysatoren werden für eine oszillographische Analyse der Wellenformen in einem elektrischen Wechselstromleistungssystem verwendet und können auch für die Bestimmung des harmonischen Gehalts der Wellenform verwendet werden. Gemäß dem gut bekannten Nyquist-Kriterium muss ein Signal mit dem Zweifachen der höchsten zu detektierenden Frequenz abgetastet werden. Demgemäß muss eine Wellenform mit dem Zweifachen der Frequenz der höchsten Harmonischen, die zu extrahieren ist, abgetastet werden. Beispielsweise muss ein 60 Hz Wechselstrom- oder AC-Signal mit zumindest 6 KHz abgetastet werden, um die 50-te Harmonische zu extrahieren. Die hohe Tastrate belastete den Mikrocomputer. Tatsächlich werden in einem Monitor/Analysierer nur die Überwachungs- bzw. Monitorfunktionen wie beispielsweise das Berechnen von verschiedenen Spannungen und Ströme, der Leistung und dergleichen im Mikrocomputer des Geräts durchgeführt. Die Rohdigitalwellenformdaten werden an einen entfernten Computer mit höherer Rechnerkapazität zur Durchführung der harmonischen Analyse gesendet.
Schaltungsunterbrecher des Standes der Technik nutzen ebenso Mikrocomputer in der Auslöseeinheit. Solche digitalen Auslöseeinheiten können Monitorfunktionen zusätzlich zu den Schutzfunktionen ausführen. Einige dieser Schaltungsunterbrecher verwenden eine als äquivalente Tasttechnik bekannte Technik zum Erhöhen der Genauigkeit ohne unnötige Belastung des Mikrocomputers. Bei der äquivalenten Tasttechnik werden die Wechselstrom- oder AC-Wellenformen eine ausgewählte Anzahl von Malen pro Zyklus mit einer Verzögerung um einen Bruchteil eines Zyklus abgetastet bevor ein anderer Abtastzyklus mit der selben Tastrate vorgenommen wird. Somit werden die Tastereignisse jeden Zyklus um einen ausgewählten Bruchteil des Zyklus "geschoben". Die über eine Anzahl von solchen "geschobenen" Zyklen gesammelten Daten werden dann zur Berechnung von verschiedenen Parametern verwendet. Beispielsweise, wenn eine Abtast- oder Tastrate mit 16 Tastungen pro Zyklus verwendet wird, kann eine effektive Rate von 64 Tastungen pro Zyklus realisiert werden durch Tastung von einem Zyklus, eine Verzögerung von 1/64 eines Zyklus, und dann durch Abnahme von weiteren 16 Tastungen mit einer Rate von 16 Tastungen pro Zyklus. Dies wird wiederholt, bis vier Datenzyklen akkumuliert bzw. gesammelt sind; Jedoch sind 4 1/16 Zyklen für die Erzeugung dieser Daten erforderlich. Somit ist dies keine synchrone Tastung, wobei jedoch eine synchrone Tastung nicht nötig ist für das Ausführen der Monitor- und Schutzfunktionen.
Jedoch muss die Tastung synchron sein, um die für die Berechnung der harmonischen Störung verwendete Fourieranalyse durchzuführen. Mit synchroner Tastung ist gemeint, dass eine ganzzahlige Anzahl von Tastungen pro Zyklus genommen wird. Zusätzlich, wie zuvor erwähnt, ist eine höhere Tastrate für das Detektieren des vollen Bereichs der harmonischen Information erforderlich, die für die harmonische Analyse benötigt wird. Gleichzeitig erfordert die Fourieranalyse dieser Daten eine beträchtliche Menge der Rechnerzeit. Das Ergebnis ist, dass eine hohe Anforderung an den Mikrocomputer gestellt wird, insbesondere wenn extensives bzw. ausgeweitetes Monitoring bzw. Überwachen ebenso durch das Gerät ausgeführt werden soll.
Es besteht ein Bedarf nach einem digitalen Monitor/Analysiere für ein AC- Leistungssystem, welcher intern eine harmonische Störungsanalyse ausführen kann und auch extensive Monitorfunktionen ausführen kann.
Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem solchen verbesserten digitalen Monitor/Analysiere, der die AC-Wellenformen mit einer Rate abtasten kann, die groß genug ist, um die für eine volle harmonische Störungsanalyse nötigen Daten zu erhalten, und gleichzeitig ausreichend Rechnerzeit für die Ausführung der Analyse hat, während er ebenso extensive Monitor- bzw. Überwachungberechnungen ausführt.
US-A-4 672 555 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Überwachen von einer Vielzahl von analogen AC- bzw. Wechselstromschaltungen durch Tasten der Spannungs- und Stromwellenform in jeder Schaltung bei vorbestimmten Intervallen, Umwandeln der analogen Strom- und Spannungstastungen in ein digitales Format, Speichern der digitalisierten Strom- und Spannungstastungen, und Nutzen der gespeicherten digitalisierten Strom- und Spannungstastungen zum Berechnen einer Vielzahl von elektrischen Parametern; einige davon werden von gespeicherten Tastungen abgeleitet. Die nicht abgeleiteten Größen werden wiederholt berechnet und über viele getrennte Zyklen gespeichert, wobei sie dann gemittelt werden. Die abgeleiteten Größen werden dann am Ende einer Mittelungsperiode berechnet. Eine Frequenz wird durch Taktung von drei Zyklen der Spannungswellenform gemessen, und zwar unter Nutzung des nach oben gerichteten Nullkreuzungspunktes als ein Startpunkt für einen digitalen Takter.
US-A-5 247 454 offenbart ein Schaltungsmonitorsystem für ein verteiltes Leistungsnetzwerk, wobei das System Wellenformeinfangtechniken für eine genaue Überwachung verwendet. Das System weist eine Vielzahl von Schaltungsmonitoren und eine Steuerstation auf, die mit einem jeden der Schaltungsmonitore gekoppelt über eine Mehrwegkommunikationsleitung ist. Jeder der Schaltungsmonitore ist benachbart zu einem der zugeordneten Zweige im Netzwerk für das Abfühlen der Leistungsparameter in den Zweigen und für das Erzeugen und Übertragen von Daten an die Steuerstation angeordnet, die die Leistungsparameter repräsentieren. Die Steuerstation wird für das Erzeugen von Überwachungsbefehlen an jeden der Schaltungsmonitore verwendet, um das System mit einer vollständigen Systemsteuerungs- und Auswertungsfähigkeit zu versehen. Jeder der Schaltungsmonitore weist ebenso einen EEPROM-Speicher für das Speichern und Halten von Betriebsdaten auf, die von der Steuerstation gesendet werden, und zwar bei Abwesenheit von Leistung. Dies gestattet einem Mikrocomputer im Schaltungsmonitor, die gehaltenen Daten für die Analyse der abgefühlten Leistungsparameter zu lesen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Bedürfnisse und andere werden durch die Erfindung erfüllt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, wobei sie auf eine elektrische Vorrichtung zur Verwendung mit einem elektrischen Wechselstromleistungssystem gerichtet ist, in welcher eine Tastung der Wechselstrom- bzw. AC-Wellenform bei einer ersten, langsamen Tastrate für das Sammeln von Daten für das Monitoren bzw. Überwachen oder die Schutzfunktionen ausgeführt wird, und eine Tastung bei einer zweiten, höheren Tastrate für die Digitalisierung der Wellenformen für eine harmonische Störungsanalyse durchgeführt wird. Eine Form der äquivalenten Tastung wird für die langsame Tastung verwendet, während synchrone Tastung während der Hochgeschwindigkeitstastung verwendet wird, um die Anforderungen für eine Fourieranalyse des harmonischen Gehalts der Wellenformen zu erfüllen. Normalerweise wird die Tastung bei der langsamen Rate ausgeführt; es kann jedoch eine momentane Tastung mit der Hochgeschwindigkeitsrate automatisch beim Auftreten von bestimmten Ereignissen ausgeführt werden, und zwar aufgrund eines manuellen Befehls oder zu spezifischen Zeiten.
Die zwei Tastraten werden durch Organisieren der Tastungen in Tastrahmen ausgeführt, wobei ein jeder davon eine vorbestimmte Anzahl von Wiederholungen der Tastung für eine ausgewählte Anzahl von Zyklen gefolgt von einer Verzögerung um einen Bruchteil eines Zyklus aufweist. Eine Tastung mit Hochgeschwindigkeitsrate wird nicht öfters als eine Wiederholung der ausgewählten Anzahl von Zyklen während eines Tastrahmens durchgeführt. Somit wird äquivalente Tastung für die langsame Geschwindigkeitsrate während des Tastrahmens verwendet, während die Hochgeschwindigkeitstastung, wenn sie während des Rahmens verwendet wird, synchron durchgeführt wird. Die Hochgeschwindigkeitstastung wird bei einer Rate durchgeführt, die ein ganzzahliges Vielfaches ist von der langsamen Geschwindigkeitsrate, so dass die Daten mit langsamer Geschwindigkeit aus den Hochgeschwindigkeitsdaten für eine fortwährende Berechnung der überwachten elektrischen Parameter extrahiert werden können.
Im beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Tastrahmen vier Wiederholungen der Tastung für zwei Zyklen bei 32 Tastungen bzw. Proben pro Zyklus auf, und zwar mit einer Bruchteilverzögerung von 1/128- stel eines Zyklus zwischen den Wiederholungen. Somit erfordert ein Rahmen 8 1/32 Zyklen, was eine äquivalent Tastrate von 128 Proben bzw. Tastungen pro Zyklus vorsieht. Die Hochgeschwindigkeitstastung wird bei 128 Proben pro Zyklus durchgeführt, was vier mal die Tastrate mit langsamer Geschwindigkeit ist, was wiederum das Extrahieren von Proben mit der Rate von 32 pro Zyklus aus den Hochgeschwindigkeitsdaten gestattet.
Wie erwähnt, ist eine beträchtliche Rechnerzeit für die Fourieranalyse des harmonischen Gehalts der Wellenformen erforderlich. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung, werden die durch den Mikrocomputer durchgeführten Aufgaben zugeordnet, um diese Rechnerzeit für harmonische Analyse durchzuführen, während immer noch ausreichend Rechnerzeit der Überwachung gewidmet ist, so dass ein volles Spektrum der Parameter verfolgt werden kann. Periodische Interrupts bzw. Unterbrechungen, die die Tastung initiieren, regulieren ebenfalls die Durchführung der Berechnungen, die durch den Mikrocomputer ausgeführt werden. Spezifische Aufgaben bzw. Tasks werden den spezifizierten Interrupts durch den Tastrahmen hindurch zugewiesen. Die Fourieranalyseberechnungen werden in kleinere Schritte unterteilt, die auf entweder einen ungeraden oder einen geraden Interrupt hin während des Tastrahmens ausgeführt werden. All die anderen Funktionen, die durch den Mikroprozessor ausgeführt werden, werden den anderen der ungeraden oder geraden Interrupts zugeordnet. Die Daten, die während einem Tastrahmen gesammelt werden, werden während des nächsten Tastrahmens verarbeitet. Da es 32 Proben pro Zyklus gibt, sind während jedem Zyklus 16 Interrupts für das Berechnen der Harmonischen und 16 Interrupts für das Durchführen von anderen Funktionen, wie beispielsweise das Überwachen und/oder der Schutz, verfügbar. Es gibt sechs garantiert verfügbare Zyklen in jedem Tastrahmen, während welchen Tasks bzw. Aufgaben ausgeführt werden können (Hochgeschwindigkeitsabtastung kann während zwei Zyklen durchgeführt werden). Somit sind bei 16 Tasks pro Zyklus 96 unterschiedliche Taskschlitze verfügbar. Gemäß der Erfindung werden die durchzuführenden Tasks über diese 96 Taskschlitze, die während eines Tastrahmens verfügbar sind, aufgeteilt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN

Ein vollständiges Verständnis der Erfindung kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele gewonnen werden, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Monitors/Analysierers gemäß der Erfindung ist.
Fig. 2 ein Datenflussdiagramm für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist.
Fig. 3 ein Diagramm ist, das die Technik der Tastung einer AC- Leistungswellenform gemäß der Erfindung darstellt.
Fig. 4 ein Flussdiagramm ist für eine Taktungs-Interruptroutine für den Mikrocomputer des Geräts, das in Fig. 1 gezeigt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Monitor/Analysierer 1 der Erfindung verwendet für das Überwachen und das Analysieren eines elektrischen AC- Leistungssystems 3, wie beispielsweise ein Leistungsverteilungssystem. Das dargestellte Leistungsverteilungssystem 3 hat drei Phasenleiter 5A, B, C, einen Neutralleiter 5N und einen Erdungsleiter 5G. Stromtransformatoren 5A, B, C, N und G fühlen den in jedem dieser Leiter fließenden Strom ab, während Phasen-zu-Neutral-Spannungen durch Potentialtransformatoren 9A, B und C und eine Neutral-zu-Erde-Spannung durch einen Transformator 9N bewirkt wird. Eine Bereichsschaltung 11 wandelt die Strom- und Spannungssignale von -10 bis 0 auf +10 Voltsignale um für eine Umwandlung durch einen Analog-zu-Digital-(A/D)-Wandler 13, und zwar für eine Eingabe in einen Digitalprozessor 15. Der A/D-Wandler 13 probt bzw. tastet die Analogspannungen und -ströme mit Tastraten ab, die durch Interrupts bzw. Unterbrechungen bestimmt werden, die vom Digitalprozessor 15 erzeugt werden. Diese Interrupts werden selektiv mit einer ersten Niedriggeschwindigkeitstastrate oder einer zweiten Hochgeschwindigkeitstastrate erzeugt. In der beispielhaften Vorrichtung ist die Niedriggeschwindigkeitstastrate 32 Proben pro Zyklus und die Hochgeschwindigkeitsrate ist 128 Proben pro Zyklus. Während der Niedriggeschwindigkeitstastung tastet der A/D-Wandler 13 alle fünf Ströme und alle vier Spannungen ab. Für die Hochgeschwindigkeitstastung werden wieder alle Ströme abgetastet, aber nur die drei Phasenspannungen werden für eine Eingabe in den Prozessor digitalisiert. Jeder dieser Ströme und Spannungen wird bei jedem Interrupt abgetastet.
Der Digitalprozessor 15 nutzt die durch diese digitalen Tastungen erzeugten Daten zum Erzeugen von zwei Sätzen von elektrischen Parametern. Der erste Parametersatz steht in Beziehung zu der Überwachungsfunktion und weist gemessene Parameter, wie beispielsweise: RMS-Ströme und -spannungen, Spitzenströme und -spannungen, Minimalströme und -spannungen, Leistungsfaktoren, Watt, Vars bzw. Variationen, Volt-Ampere, gesamtharmonischer Faktor, K-Faktor, CBMEA-Unterlastungsfaktor und dergleichen auf. Der zweite Parametersatz, der durch den Digitalprozessor 15 berechnet wird, sind die individuellen harmonischen Koeffizienten. Die vorliegende Erfindung organisiert die Datensammlung und -verarbeitung so dass eine maximale Anzahl von Parametern fortwährend überwacht werden können, während auch die Fähigkeit für eine simultane Berechnung des harmonischen Gehalts vorgesehen wird.
Der Digitalprozessor 15 hat eine Eingabe/Ausgabe (I/O) 17 durch welchen der Prozessor 15 mit einer Fronttafel 19 verbunden ist. Die Fronttafel 19 dient als Schnittstelle mit dem Benutzer. Durch diese Fronttafel kann der Benutzer den Betrieb des Monitors/Analysierers 1 steuern und das elektrische AC-Leistungssystem 3 überwachen. Die Eingabe/Ausgabe-Einrichtung 17 stellt ebenso eine Schnittstelle des Digitalprozessors 15 mit Kontakteingängen durch eine Digitaleingabe dar. Relaisausgänge und analoge Ausgänge werden ebenso durch die Eingabe/Ausgabe-Einrichtung 17 vorgesehen. Der Digitalprozessor 15 kann auch mit einem entfernten Prozessor durch eine Kommunikationsverbindung 21 kommunizieren. Durch diese Kommunikationsverbindung 21 kann der Monitor/Analysierer 1 Information an einen entfernten Prozessor (nicht gezeigt) liefern und/oder durch diesen gesteuert werden.
Fig. 2 stellt ein Datenflussdiagramm 23 des in Fig. 1 gezeigten Monitors/Analysierers 1 dar. Die abgefühlten Analogspannungen und -ströme werden in Digitalsignale umgewandelt für eine Eingabe in die Datensammlungs- und -verarbeitungsfunktion 25, in der die Daten gemäß den von einer Fronttafelsteuerung 27 empfangenen Einstellungen verarbeitet werden. Solche Einstellungen werden in die Steuerung 27 durch Fronttafeldruckknöpfe eingegeben. Diese Druckknöpfe können auch für die Anforderung von Daten und für das Erhalten derselben für eine Anzeige auf der Fronttafel, sofern verfügbar, verwendet werden. Die Datensammlung und -verarbeitung wird durchgeführt unter Nutzung von Zeit- oder Taktungsdaten, die durch eine Realzeittaktung bzw. -uhr 29 vorgesehen werden, die von der Fronttafel her eingestellt werden kann. Externe Eingaben, wie beispielsweise Kontaktschließungen, werden ebenfalls verarbeitet. Zusätzlich zum Vorsehen von Information für die Anzeige auf der Fronttafel, können Daten mit einem entfernten Computer durch eine Kommunikationsverbindung, wie beispielsweise das Incom®-Netzwerk 31 oder jegliche andere geeignete Kommunikationsverbindung ausgetauscht werden. Dies sieht die Fähigkeit für den Monitor/Analysierer 1 vor, mit einer entfernten Einheit auf die gleiche Weise schnittstellenverbunden bzw. verbunden zu werden wie er mit der Fronttafel über eine Schnittstelle verbunden ist. Zusätzlich zum Vorsehen der Ausgaben ans die Fronttafel und durch die Kommunikationsverbindung an eine entfernte Einheit können auch Relaisausgaben bzw. -ausgänge erzeugt werden.
Fig. 3 stellt die gemäß der Erfindung genutzte Tasttechnik dar. Wie erwähnt, werden zwei Tastraten genutzt. Zusätzlich wird äquivalent Tastung mit einer Niedriggeschwindigkeitstastung angewandt zum verbessern der Genauigkeit. Äquivalente Tastung bei niedriger Geschwindigkeit mit auswählbarer Hochgeschwindigkeitstastung wird durch Tastung in Rahmen implementiert. Jeder Tastrahmen 35 weist Wiederholungen 37&sub1;-37&sub4; von Tastungen für eine ausgewählte Anzahl von Zyklen auf gefolgt von einer Verzögerung δ, welche ein Bruchteil eines Zyklus ist. Im beispielhaften System ist die ausgewählte Anzahl von Zyklen 2 und der Rahmen konstituiert vier Wiederholungen 37&sub1;-37&sub4; von Tastungen für zwei Zyklen gefolgt von einer Verzögerung 6. Somit ist der beispielhafte Rahmen 35 gleich zu acht Zyklen + 4 δ. Im beispielhaften System ist die Niedriggeschwindigkeitstastrate 32 Tastungen pro Zyklus und δ ist gleich zu 1/128 eines Zyklus, so dass der Tastrahmen 35 gleich ist zu 8 1/32 Zyklen der Fundamentalwellenform 33. Dies sieht eine äquivalente Tastrate von 128 Tastungen bzw. Proben pro Zyklus vor.
Hochgeschwindigkeitstastung kann implementiert sein in irgend einer der Wiederholungen 37&sub1;-37&sub4;, jedoch nur eine während des Tastrahmens 35. Somit wird beispielsweise in der beispielhaften Einrichtung die Hochgeschwindigkeitstastung, wenn sie aufgerufen wird, in der dritten Wiederholung 37&sub3; im Rahmen 35 implementiert. Irgend einer der Rahmen kann für die Hochgeschwindigkeitstastung genutzt werden, aber immer ist es die selbe Wiederholung. Da die Hochgeschwindigkeitstastung für nur eine Wiederholung durchgeführt wird, kann die Tastung synchron sein, ein Erfordernis für eine Fourieranalyse des harmonischen Gehalts der Wellenform. Mit synchron ist gemeint, dass eine ganzzahlige Anzahl von Proben pro Zyklus genommen wird. Da die Verzögerung, δ, am Ende der Wiederholung kommt, stört sie nicht die synchrone Tastung, die während nur einer Wiederholung durchgeführt wird. Die Hochgeschwindigkeitstastung wird mit einer Rate durchgeführt, die ein ganzzahliges Vielfaches ist der Niedriggeschwindigkeitsrate. Im beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Hochgeschwindigkeitsrate 128 Proben pro Zyklus, was das Vierfache ist der Niedriggeschwindigkeitsrate. Dies gestattet, dass die Niedriggeschwindigkeitsdaten aus den Hochgeschwindigkeitsdaten extrahiert werden, so das kontinuierlich Daten für die Berechnungen verfügbar sind, die unter Nutzung der Niedriggeschwindigkeitstastung durchgeführt werden.
Während die ausgewählte Anzahl der Zyklen in jeder Wiederholung 37 im beispielhaften Ausführungsbeispiel zwei ist, können andere Anzahlen von Zyklen genutzt werden. Jedoch stellt die Anzahl der Zyklen, die für jede Wiederholung ausgewählt ist, die maximale Anzahl von Zyklen der Hochgeschwindigkeitsdaten ein, die während eines Rahmens gesammelt werden können. Zwei Zyklen sehen eine gewisse Mittelung vor, die nicht verfügbar wäre, wenn nur ein Zyklus an Hochgeschwindigkeitsdaten gesammelt werden würde. Andererseits, wenn die ausgewählte Anzahl von Zyklen größer ist als zwei, wäre die Länge der Rahmen ausgeweitet, was das Ansprechen auf Änderungen in der Amplitude der Wellenformen reduzieren kann, was wesentlich ist für die Überwachungsfunktion. Eine unterschiedliche Anzahl von Wiederholungen 37 im Rahmen 35 kann auch genutzt werden; jedoch würden weniger Wiederholungen die Auflösung der äquivalenten Tastung herabsetzen und wiederum würde eine erhöhte Anzahl von Wiederholungen das Ansprechen der Berechnungen auf Änderungen in der Amplitude erniedrigen.
Die Tastung bei der Hochgeschwindigkeitsrate kann automatisch ansprechend auf Zustände in dem elektrischen AC-Leistungsverteilungssystem 3 implementiert werden, wie beispielsweise ein Überstromzustand, eine Auslösung, ein Niedrigspannungszustand oder dergleichen. Zusätzlich kann die Hochgeschwindigkeitstastung angefordert bzw. befohlen werden über die Fronttafel oder entfernt bzw. ferngesteuert durch die Kommunikationsverbindung. Auch kann die Hochgeschwindigkeitstastung initiiert werden durch eine Taktungseinrichtung bzw. einen Timer. In jedem Fall, und insbesondere im Fall eines automatischen Ansprechens auf einen abnormalen Zustand, kann die Hochgeschwindigkeitstastung durchgeführt werden in einer Serie von aufeinander folgenden Tastrahmen und im beispielhaften System in bis zu sieben aufeinander folgenden Rahmen.
Für die Durchführung der Fourieranalyse ist eine Hälfte der Rechnerzeit im Mikroprozessor verfügbar, welche für die Durchführung dieser Funktion zugewiesen ist. Diese Berechnungen, die Werte für die individuellen Harmonischen als Prozent der Fundamentalen für die analysierte Wellenform erzeugen, werden nur während der Niedriggeschwindigkeitstastung durchgeführt. Somit initiieren abwechselnde Interrupts, beispielsweise die ungeraden Interrupts, eine Analog-zu-Digital-Wandlung und lösen ebenso die Berechnungen für die Fourieranalyse aus. Die verbleibenden Tasks bzw. Aufgaben sind den geraden Interrupts zugewiesen, die ebenso Analog-zu-Digital-Wandlungen initiieren. Tabelle 1 stellt die beispielhaften Zuweisungen von Tasks an die geraden Interrupts dar. Da die Niedriggeschwindigkeitsrate 32 Proben pro Zyklus ist, gibt es 16 gerade Interrupts pro Zyklus, an welche die Tasks zugewiesen werden können. Während es acht Zyklen in einem Rahmen gibt, sind nur sechs von diesen Zyklen garantiert verfügbar für die Durchführung von Tasks, da die anderen zwei Zyklen verfügbar sein müssen für die Hochgeschwindigkeitstastung. Demgemäß gibt es 16 · 6 = 96 Taskschlitze, die immer während eines Rahmens verfügbar sind. Es gibt 16 · 2 = 32 zusätzliche Taskschlitze, die verfügbar sind, wenn es keine Hochgeschwindigkeitstastung während des Rahmens gibt. Tasks von geringerer Wichtigkeit, oder solche, die eine geringere Aktualisierungsfrequenz erfordern, werden den letzteren, konditionalen bzw. umstandsabhängigen Taskschlitzen zugewiesen. Während im beispielhaften System eine schnelle Tastung während der dritten Wiederholung 37&sub3; während des Rahmens durchgeführt wird, sind es die Taskschlitze der letzten Wiederholung 37&sub4;, die während eines Rahmens mit Hochgeschwindigkeitstastung eliminiert werden. Somit werden die den geraden Interrupts zugewiesenen Tasks durch die Hochgeschwindigkeitstastung verzögert, und solche die normalerweise während der dritten Wiederholung 37&sub3; durchgeführt werden, werden statt dessen während der vierten Wiederholung 37&sub4; durchgeführt. Es sei aus Fig. 4 bemerkt, dass die durchgeführten Tasks eine Berechnung der gesamten harmonischen Störung (THD = total harmonic distortion) aufweisen. Diese Berechnungen werden bei den geraden Interrupts durchgeführt, da sie einfache Berechnungen sind, die nur Daten erfordern, die durch die Niedriggeschwindigkeitstastung erzeugt werden, wobei die Tasks, die während irgend einem gegebenen Rahmen durchgeführt werden, Daten nutzen, die aus einem vorangegangenen Rahmen gesammelt werden. Tabelle 1 INTERRUPT-TASK-ZUWEISUNG
DO = Durchführen
RMS = mittlerer quadratischer Fehler (root mean square) Es gibt jedoch bestimmte Verarbeitungen, die bei jedem Niedriggeschwindigkeitsinterrupt durchgeführt werden. Dies umfasst das Quadrieren der Ströme und Spannungen und das Addieren der resultierenden Werte zu einer Summe für die Berechnung der RMS-Werte. Ähnlich werden die Spannungen und Ströme zusammen multipliziert und aufsummiert für die Leistungsberechnungen. Der Datensatz, der bei einem gegebenen Interrupt gesammelt wird, wird auf diese Weise beim nächsten Interrupt verarbeitet. Die kumulativen Resultate dieser Vorverarbeitungen während jeden Rahmens werden dann für die Verwendung bei der Durchführungen der Tasks während des nächsten Rahmens gespeichert, die solche Daten erfordern. So ist beispielsweise einer der Tasks, die bei den geraden Interrupts durchgeführt werden, das Bestimmen des RMS-Stroms durch Erhalten der Quadratwurzel der Summe der Quadrate, die während des vorangegangenen Rahmens akkumuliert wurden.
Während die Niedriggeschwindigkeitstastung bei einer äquivalenten Tastrate von 128 Proben pro Zyklus durchgeführt wird, werden tatsächlich nur 32 Proben in jedem Zyklus genommen, wobei die Abtastungen bzw. Proben jedes nachfolgenden Zyklus um den Betrag δ verzögert sind. Andererseits werden echte 128 Proben pro Zyklus während der Hochgeschwindigkeitstastung genommen. Da diese Tastrate ein ganzzahliges Vielfaches der Niedriggeschwindigkeitstastrate ist, werden die Niedriggeschwindigkeitstastdaten aus den Hochgeschwindigkeitsdaten extrahiert. Bei jedem Hochgeschwindigkeitsinterrupt werden die Rohwerte der Ströme und Spannungen abgetastet und gespeichert. Das Quadrieren und Summieren der Ströme und Spannungen wird nur für Proben durchgeführt, die jede vierte Abtastung während der Hochgeschwindigkeitstastung genommen werden. Jedoch wird die Verarbeitung der Ströme und Spannungen zum Bestimmen der quadrierten Summe über die vier Interrupts verteilt, da die gesamte Verarbeitung nicht für jeden Interrupt abgeschlossen sein muss.
Einer der Tasks, der bei den geraden Interrupts durchgeführt wird, ist das Bestimmen der Phasendrehung. Dies wird erreicht durch Berechnen von zwei Phase-zu-Phase-Spannungen aus den Phasen-zu-Neutral-Spannungen. Eine dieser Phasen-zu-Phasen-Spannungen wird um 90 Grad phasenverschoben. Diese phasenverschobene Phase-zu-Phase-Spannung und die andere Phase-zu-Phase-Spannung werden zusammen multipliziert. Die Polarität des Ergebnisses bestimmt die Phasenrotation.
Da eine synchrone Tastung für die Fourieranalyse erforderlich ist, die für das Bestimmen des harmonischen Gehalts genutzt wird, wird die Periode der AC- Leistung periodisch berechnet, so dass der Tastungsintervall eingestellt bzw. angeglichen werden kann, wenn notwendig, um eine synchrone Tastung vorzusehen. Solch eine Einstellung des Tastungsintervalls wird nicht während der Hochgeschwindigkeitstastung vorgenommen, um eine Verfälschung des Ergebnisses zu vermeiden.
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm der Timerinterruptroutine 39, die vom Digitalprozessor 15 ausgeführt wird. Jedes Mal, wenn diese Routine aufgerufen wird, wird eine Analog-zu-Digital-Wandlung der Ströme und Spannungen bei 41 initiiert. Wenn die Tastung bei der niedrigen bzw. langsamen Rate durchgeführt wird, wie bei 43 bestimmt, wird das Zeitintervall für den nächsten langsamen Interrupt eingestellt und die Zeiger für das Speichern der Niedriggeschwindigkeitsdaten werden bei 45 gesetzt. Die Ströme und Spannungen von vorangegangenen Tastungen werden dann quadriert und die Leistungsberechnung aus den vorangegangenen Tastungen wird bei 47 durchgeführt. Die Leistungsberechnung wird dann zu einer Energiesummation bei 49 hinzu addiert. Wenn acht Zyklen abgeschlossen sind, wie bei 51 bestimmt, werden die verarbeiteten Werte für diesen Rahmen bei 53 gespeichert. Dann werden die digitalisierten Ströme und Spannungen, die durch den A/D-Wandler bei diesem Interrupt erzeugt werden, bei 55 gespeichert. Dies sind die Werte, die bei 47 bei dem nächsten langsamen Interrupt verwendet werden. Wenn dies eine gerade Tastung (Interrupt) ist, wie bei 57 bestimmt, dann wird der richtige Task aus der Taskliste der Fig. 4 bei 59 durchgeführt. Wenn andererseits dies ein ungerader Interrupt ist, wird die Berechnung des harmonischen Datensatzes bei 61 durchgeführt. In beiden Fällen wird die Routine dann bei 63 verlassen.
Während der Hochgeschwindigkeitstastung, wie bei 43 bestimmt wird, werden die Zeit für den nächsten Hochgeschwindigkeitsinterrupt und die Datenzeiger für das Speichern der Hochgeschwindigkeitsdaten bei 65 gesetzt. Die Zeiger werden inkrementiert und bei 67 überprüft, und bei jedem vierten Hochgeschwindigkeitsinterrupt werden die Niedriggeschwindigkeitsdaten gespeichert. Bei jedem Hochgeschwindigkeitsinterrupt werden die Hochgeschwindigkeitsdaten gespeichert und die anfängliche Verarbeitung, wie beispielsweise Quadrieren der Ströme oder der Spannungen, wird durchgeführt. Wenn zwei Zyklen der Hochgeschwindigkeitsdaten gesammelt wurden, wie bei 69 bestimmt wird, wird die FAST_DATA-Flagge bei 71 zurück gesetzt, so dass wenn das nächste mal die Timerinterruptroutine 39 aufgerufen wird, die Niedriggeschwindigkeitstastung aufgenommen wird.
Während spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben wurden, sei durch den Fachmann gewürdigt, dass verschieden Modifikationen und Alternativen zu diesen Details im Lichte der gesamten Lehre der Offenbarung entwickelt werden können. Demgemäß sind die besonderen offenbarten Anordnungen nur illustrativ gedacht und nicht einschränkend hinsichtlich des Umfangs der Erfindung, der in seiner vollen Breite durch die angefügten Ansprüche gegeben sein soll.

Claims

1. Elektrische Vorrichtung (1) zur Verwendung mit einem elektrischen Wechselstromleistungssystem (3), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

Abfühlmittel (7, 9) zum Abfühlen von Wellenformen in dem elektrischen Wechselstromleistungssystem (3);

Tast- oder Samplingmittel (13) zum selektiven digitalen Tasten der Wellenformen abgefühlt durch die Abfühlmittel (7, 9) mit einer ersten Tast- oder Samplingrate oder mit einer zweiten Tast- oder Samplingrate, die ein ganzes Vielfaches der ersten Samplingtastrate ist;

digitale Verarbeitungsmittel (15) zur Bestimmung von Werten der ersten Parameter der erwähnten Wellenformen aus Tastungen vorgenommen mit der ersten Tastrate und zur Bestimmung von Werten von zweiten Parametern der erwähnten Wellenformen aus Tastungen vorgenommen mit der erwähnten zweiten Tastrate, wobei im letztgenannten Fall, die digitalen Verarbeitungsmittel Tastungen der erwähnten ersten Tastrate aus Tastungen vorgenommen mit der erwähnten zweiten Tastrate extrahieren, derart daß die erwähnten Werte der erwähnten ersten Parameter kontinuierlich bestimmt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die digitalen Verarbeitungsmittel (15) Mittel (59) aufweisen zur Verarbeitung eines Satzes von Tastungen vorgenommen während ein darauffolgender Satz von Tastungen mit der erwähnten ersten Tastrate vorgenommen wird, und Mittel (67) zur alternativen Verarbeitung aufeinander unterschiedlicher Tastungen in einem Satz von Tastungen extrahiert oder herausgezogen mit der erwähnten ersten Tastrate aus Tastungen, die mit der erwähnten zweiten Tastrate vorgenommen wurden, an jeder einer Vielzahl von drauf folgenden Tastungen vorgenommen mit der erwähnten zweiten Tastrate bevor ein weiterer Satz von Tastungen mit der erwähnten ersten Tastrate extrahiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erwähnten Tastmittel (13) die erwähnten Wellenformen digital tasten, und

wobei die digitalen Verarbeitungsmittel (15) die wiederholten oder repetitiven Unterbrechungen mit einer vorbestimmten Rate erzeugen (39), und wiederholte Bestimmung (59) an einer ungeradzahligen oder geradzahligen Unterbrechung von Werten einer Vielzahl von ausgewählten elektrischen Parametern aus Tastungen vorgenommen an den Wellenformen durch die erwähnten Tastmittel, und wiederholtes Bestimmen (61) an den anderen der erwähnten ungeradzahligen oder geradzahligen Unterbrechungen von Werten der harmonischen Inhaltsparameter aus den Tastungen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erwähnten digitalen Verarbeitungsmittel (15) selektiv Unterbrechungen erzeugen, und zwar mit einer ersten Tastrate und einer zweiten Tastrate, die ein ganzzahliges Vielfaches der erwähnten ersten Tastrate ist, wobei die erwähnten Werte der erwähnten selektiven Vielzahl von elektrischen Parametern bestimmt werden (59) aus Tastungen vorgenommen mit der erwähnten ersten Tastrate. und wobei die erwähnten Werte der erwähnten harmonischen Inhaltsparameter bestimmt (61) werden aus Abtastungen vorgenommen mit der erwähnten zweiten Tastrate.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erwähnten digitalen Verarbeitungsmittel (15) Tastungen (67) mit der erwähnten ersten Tastrate extrahieren, und zwar aus Tastungen vorgenommen mit der erwähnten zweiten Tastrate zur Verwendung bei der kontinuierlichen Bestimmung von Werten der erwähnten ausgewählten elektrischen Parameter.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei Werte von unterschiedlichen Parametern der erwähnten ausgewählten Parameter bestimmt werden (59) an aufeinanderfolgenden Unterbrechungen der erwähnten einen von ungeradzahligen und geradzahligen Unterbrechungen, und zwar in einer repetitiven oder sich wiederholenden Sequenz oder Folge.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die repetitive Sequenz (35) sich über mehr als einen Zyklus der Wellenformen erstreckt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einem dreiphasigen elektrischen Wechselstromleistungssystem, wobei

die erwähnten Tastmittel (13) wiederholt oder repetitiv Spannungen in dem elektrischen dreiphasigen Wechselstromleistungssystem (3) digital tasten, und zwar mit einer Rate, die größer ist als vier Tastungen pro Zyklus, um digitale Spannungstastungen zu erzeugen; und

wobei die digitalen Verarbeitungsmittel (15) die erwähnten digitalen Spannungstastungen verarbeiten, um ein erstes Phase-zu-Phase Spannungssignal zu erzeugen, welches von einem zweiten Phase-zu- Phase Spannungssignale um 90º phasenverschoben ist, Multiplizieren der ersten und zweiten Phase-zu-Phase Spannungssignal miteinander zur Erzeugung eines Phase-Rotationssignals, welches eine erste Phasenrotation anzeigt, wenn eine erste Polarität vorliegt, und welches eine entgegengesetzte Phasenrotation anzeigt, wenn eine zweite Polarität vorliegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tastmittel (13) zur digitalen Tastung von Wellenformen in Tastrahmen oder Frames (35) jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Wiederholungen (37&sub1;-37&sub4;) der Tastungen aufweisen, und zwar für eine ausgewählte Anzahl von Zyklen der erwähnten Wechselstromwellenform, und zwar gefolgt von einer Verzögerung (δ) eines Bruchteils eines Zyklus der Wellenformen,

wobei die Tastmittel (13) selektiv nach der erwähnten ausgewählten Anzahl von Zyklen mit einer ersten Tastrate und mit einer zweiten Tastrate tasten, die größer als die erste Tastrate, wobei die erwähnte zweite Tastrate verwendet wird für die erwähnte ausgewählte Anzahl von Zyklen nicht mehr als einmal während eines Tastrahmens (35);

und

wobei die digitalen Verarbeitungsmittel (15) Tastungen verwenden, und zwar genommen mit der erwähnten ersten Tastrate über jeden Tastrahmen zur Bestimmung von Werten der ersten Parameter der Wellenformen und Verwendung der Tastungen genommen mit der erwähnten zweiten Tastrate zur Bestimmung von Werten der zweiten Parameter der Wellenformen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Tastmittel (13) mit der erwähnten zweiten Rate Tasten für die erwähnte ausgewählte Anzahl von Zyklen einmal für eine bestimmte Wiederholung (37&sub3;) der Tastung für die erwähnte ausgewählte Anzahl von Zyklen während jeder einer bestimmten oder designierten Anzahl von aufeinander folgenden Tastrahmen (35).

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erwähnten digitalen Verarbeitungsmittel (15) Werte der ersten Parameter der erwähnten Wellenformen bestimmen, und zwar aus Tastungen vorgenommen mit der erwähnten ersten Tastrate während eines vorhergehenden Tastrahmens (35).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die digitalen Prozessor oder Verarbeitungsmittel (15) Werte der zweiten Parameter bestimmen, während der Tastung mit der erwähnten ersten Tastrate unter Verwendung von Tastungen vorgenommen zuvor mit der erwähnten zweiten Tastrate.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnten zweiten Parameter harmonische Inhaltsparameter aufweisen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die ausgewählte Anzahl von Zyklen zwei Zyklen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erwähnte vorbestimmte Anzahl von Wiederholungen vier ist.