DE9207800U1 - Measurement filter - Google Patents

Measurement filter

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    • H03H17/02Frequency selective networks

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Description

92 G 3 3 O 9 DE92 G 3 3 O 9 EN

Siemens AktiengesellschaftSiemens AG

Meßwertfilter
5
Measurement filter
5

Die Erfindung betrifft ein Meßwertfilter für ein periodisches Signal mit einer Grundfrequenz.The invention relates to a measurement filter for a periodic signal with a fundamental frequency.

Um eine periodische Größe mit einer Grundfrequenz, z.B. die Wechselspannung eines Netzes, zu messen, ist es bekannt, ein von der Größe abgeleitetes Meßwertsignal über ein Meßwertfilter zu leiten. Der Frequenzgang des Meßwertfilters entspricht dabei dem Betrag eines Sinus-Verlaufes. Bei der Grundfrequenz weist der Frequenzgang eine Nullstelle auf. Um diesen Frequenzgang zu erzielen, werden zwei Abtastwerte der periodischen Größe verwendet - nämlich ^ und (/7-32) -. Das Meßwertfilter weist in der näheren Umgebung der Grundfrequenz ansich gewünschte steile Flanken auf. Bei dynamischen Änderungen der Grundfrequenz treten jedoch erhebliche Meßwertfehler auf. Zum Ausgleich muß daher die Abtastrate entsprechend der Grundfrequenzänderung für die Abtastwerte nachgeführt werden.In order to measure a periodic quantity with a fundamental frequency, e.g. the alternating voltage of a network, it is known to pass a measured value signal derived from the quantity through a measured value filter. The frequency response of the measured value filter corresponds to the magnitude of a sine wave. At the fundamental frequency, the frequency response has a zero point. In order to achieve this frequency response, two samples of the periodic quantity are used - namely ^ and (/7-32). The measured value filter has steep edges in the vicinity of the fundamental frequency, which are actually desired. However, with dynamic changes in the fundamental frequency, considerable measured value errors occur. To compensate, the sampling rate must therefore be adjusted for the samples in accordance with the change in the fundamental frequency.

Dies kann jedoch nur mit einer Verzögerung erfolgen, wodurch im ersten Moment der Grundfrequenzänderung der Meßwert verfälscht ist. Darüber hinaus wird eine derartige Nachführung der Abtastrate bei speziellen Anwendungen (z.B. bei der Störschreibung im EVU-Bereich) von Fachleuten abgelehnt.However, this can only be done with a delay, which means that the measured value is distorted at the first moment of the fundamental frequency change. Furthermore, experts reject such tracking of the sampling rate for special applications (e.g. fault recording in the energy supply sector).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßwertfilter bereitzustellen, bei dem auf eine Nachführung der Abtastrate verzichtet werden kann.The invention is based on the object of providing a measurement value filter in which tracking of the sampling rate can be dispensed with.

Wof/Doe / 04.06.1992·---"'-"-Wof/Doe / 04.06.1992·---"'-"-

92 G 3 3 O 9 DE92 G 3 3 O 9 EN

Ausgehend von dem bekannten Frequenzgang stellte der Erfinder fest, daß dessen steller Verlauf in der Umgebung der Grundfrequenz für die entstehenden Meßwertfehler verantwortlich ist.Based on the known frequency response, the inventor determined that its sharp curve in the vicinity of the fundamental frequency is responsible for the resulting measurement errors.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved with the features of claim 1.

Auf diese Weise ist der Frequenzgang des Meßwertfilters in der Nähe der Grundfrequenz flach, so daß bei kleinen Frequenzänderungen das Übertragungsverhalten annähernd konstant bleibt. Gleichanteile und ganzzahlige Oberschwingungen werden unterdrückt. Auf diese einfache Weise kann auf eine Nachführung der Abtastrate verzichtet werden, so daß das Übertragungsverhalten bei kleinen Frequenzänderungen, wie z.B. bei EVU-Drehstromnetzen üblich ist, innerhalb eines sehr engen Toleranzbandes bleibt.In this way, the frequency response of the measurement filter is flat near the fundamental frequency, so that the transmission behavior remains almost constant for small frequency changes. DC components and integer harmonics are suppressed. In this simple way, there is no need to adjust the sampling rate, so that the transmission behavior for small frequency changes, such as is common in three-phase power grids, remains within a very narrow tolerance band.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorzugsweise weist das Filterglied des Meßwertfilters einen Frequenzgang entsprechend der Beziehung in Anspruch 3 auf. Ein derartiges Filterglied läßt sich besonders leicht realisieren, wenn es gemäß Anspruch 6 einen Rechner umfaßt und als digitales Filter ausgebildet ist.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims. The filter element of the measured value filter preferably has a frequency response corresponding to the relationship in claim 3. Such a filter element can be implemented particularly easily if it comprises a computer according to claim 6 and is designed as a digital filter.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention and further advantages are explained in more detail below using an exemplary embodiment. Shown are:

FIG 1 ein Blockschaltbild für ein Meßwertfilter, FIG 2 der Frequenzgang des Filtergliedes für &pgr; = 16, FIG 3a und 3b das Sprungantwortverhalten des FiltergliedesFIG 1 is a block diagram for a measurement filter, FIG 2 is the frequency response of the filter element for π = 16, FIG 3a and 3b are the step response behavior of the filter element

und
FIG 4a und Ab das Antwortverhalten des Filtergliedes bei
and
FIG 4a and Ab the response of the filter element at

einem Sinussprung.a sinus jump.

92 G 3 3 O 9 DE92 G 3 3 O 9 EN

Das Blockschaltbild gemäß FIG 1 zeigt ein Meßwertfilter 1, dem ein elektrisches Signal 3 zuführbar ist. Dieses Signal 3 kann z.B. ein Strom oder eine Spannung eines Energieversorgungsnetzes sein. Die gesamte hier aufgezeigte Meßwerterfassung und -verarbeitung kann ein- oder mehrphasig ausgelegt sein. Das elektrische Signal 3 besteht dabei im wesentlichen aus einem periodischen Grundsignal, z. B. 50 Hz Grundfrequenz, und weist ggf. überlagerte Störungen, z. B. hochfrequente Störungen oder Gleichsignale, auf.The block diagram according to FIG 1 shows a measurement filter 1 to which an electrical signal 3 can be fed. This signal 3 can be, for example, a current or a voltage from a power supply network. The entire measurement value acquisition and processing shown here can be designed as single or multi-phase. The electrical signal 3 essentially consists of a periodic basic signal, e.g. 50 Hz basic frequency, and may have superimposed interference, e.g. high-frequency interference or DC signals.

Das Meßwertfilter 1 umfaßt eine Abtasteinrichtung 5, die zu vorgegebenen Zeitpunkten bzw. Phasenwinkeln das Signal 3 abtastet. Die abgetasteten phasenwinkelgleichen Werte werden einem Filterglied 7 zugeführt. Am Ausgang des Filtergliedes 7, und somit am Ausgang des Meßwertfilters 1, steht dann ein Ausgangssignal 3a zur Verfügung, das einer weiteren Meßwertbearbeitung, z. B. einer Grenzwertbearbeitung, zugeführt werden kann. Je nach Auslegung des Filtergliedes 7 kann dessen Ausgang fortlaufend oder nur bei einer Änderung des stationären Zustandes der Eingangsgröße ein Ausgangssignal 3a aufweisen.The measured value filter 1 comprises a sampling device 5 which samples the signal 3 at specified times or phase angles. The sampled phase angle-equal values are fed to a filter element 7. An output signal 3a is then available at the output of the filter element 7, and thus at the output of the measured value filter 1, which can be fed to further measured value processing, e.g. limit value processing. Depending on the design of the filter element 7, its output can have an output signal 3a continuously or only when the stationary state of the input variable changes.

Das Filterglied 7 weist einen Frequenzgang auf, der bei der .-&lgr; Grundfrequenz eine doppelte Nullstelle hat. Dieser Frequenzgang ist in FIG 2 für &eegr; = 16 gezeigt, "n" stellt dabei die Anzahl der Abtastungen per Periode, entsprechend der Gleichung &eegr; = —&ggr;- dar, worin Tfl die Abtastperiode und T die 1A H The filter element 7 has a frequency response which has a double zero at the .-λ fundamental frequency. This frequency response is shown in FIG 2 for η = 16, "n" represents the number of samples per period, according to the equation η = -γ- , where T fl is the sampling period and T the 1 A H

Periodendauer der Grundfrequenz des zu filternden Signals bedeuten. Der Frequenzgang (Betrag) des Filtergliedes 7 wird durch die BeziehungPeriod duration of the fundamental frequency of the signal to be filtered. The frequency response (magnitude) of the filter element 7 is determined by the relationship

I F (./L) I =2 Icos (n ._n~) - 1 | 35I F (./L) I =2 Icos (n ._n~) - 1 | 35

S2G3 3 0 9DES2G3 3 0 9EN

beschrieben. Im Bereich der Grundfrequenz ist die Kurve des Filtergliedes 7 sehr flach, so daß bei kleinen Frequenzänderungen der Grundfrequenz des elektrischen Signals 3 das Übertragungsverhalten annähernd konstant bleibt. Das FiI-terglied 7 weist für f = p. fn mit P= 0,1,2,... jeweils doppelte Nullstellen auf, wodurch Gleichanteile und ganzzahlige Oberschwingungen unterdrückt werden.described. In the area of the fundamental frequency, the curve of the filter element 7 is very flat, so that with small frequency changes of the fundamental frequency of the electrical signal 3, the transmission behavior remains approximately constant. The filter element 7 has double zeros for f = p. fn with P = 0,1,2,..., whereby DC components and integer harmonics are suppressed.

Bei dynamischen Änderungen des Signals 3 ist das Meßwertfilter 1 auch für zwei Perioden als sogenannter Deltamonitor verwendbar, so daß im stationären Zustand das Ausgangssignal des Filters Null ist. Bei Abweichungen von der Grundfrequenz ist eine Anpassung der Abtastfrequenz nicht erforderlich. Das Meßwertfilter 1 mit dem Filterglied 7 ist bevorzugt als digitales Filter mit einem Rechner aufgebaut. Darin ist bevorzugt die diskrete FiltergleichungIn the case of dynamic changes in the signal 3, the measured value filter 1 can also be used for two periods as a so-called delta monitor, so that in the stationary state the output signal of the filter is zero. In the case of deviations from the fundamental frequency, an adjustment of the sampling frequency is not necessary. The measured value filter 1 with the filter element 7 is preferably constructed as a digital filter with a computer. The discrete filter equation is preferably used in this.

= x= x

in einem Programm ausgeführt. Die entsprechende Übertra gungsfunktion der z-Transformierten lautet:in a program. The corresponding transfer function of the z-transform is:

F(z) = 1 - 2 . z"n + z"2n = (l-z"n) (l-z-n). Der resultierende Frequenzgang (Betrag) lautet: IF (XL) I = 2 I cos (n·-TL) _ 1 IF(z) = 1 - 2 . z" n + z" 2n = (lz" n ) (lz- n ). The resulting frequency response (magnitude) is: IF (XL) I = 2 I cos (n·-TL) _ 1 I

Bei Abweichungen der Grundfrequenz um +/- 2,5 Hz treten beim herkömmlichen Filter im stationären Zustand Fehler bis zu 31 % auf. Bei dem hier vorgeschlagenen Meßwertfilter 1 wird der Meßfehler auf weniger als 2,5 % verrinaert. If the fundamental frequency deviates by +/- 2.5 Hz, errors of up to 31% occur with the conventional filter in the steady state. With the measurement value filter 1 proposed here, the measurement error is reduced to less than 2.5%.

92 G 3 3 0 9DE92 G 3 3 0 9EN

FIG 3a und 3b zeigen zusammen die Sprungantwort des Meßwertfilters 1. FIG 3a zeigt dabei das Eingangssignal und FIG 3b das Ausgangssignal.FIGS 3a and 3b together show the step response of the measurement filter 1. FIG 3a shows the input signal and FIG 3b the output signal.

FIG 4a und 4b zeigen eine ähnliche Betrachtung, jedoch ist hier als Eingangssignal eine Sinusgröße vorgegeben.FIGS 4a and 4b show a similar view, but here a sinusoidal value is specified as the input signal.

Eine bevorzugte Anwendung des Meßwertfilters 1 ist in Schutzgeräten für Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsanlagen gegeben. Mit einer derartigen Meßwertverarbeitung ausgerüstete Schutzgeräte können - auch bei schnellen Netzfrequenzabsenkungen, die z. B. in schwachen Netzen durch Kurzschluß oder Überlast auftreten - nahezu fehlerfrei reagieren. Über- oder Unterfunktionen sind weitgehend vermieden. Derartige Schutzgeräte können auch wegen der konstanten Abtastfrequenz in bezug auf Zusatzfunktionen, z. B. Störschreibung, voll im Rahmen einer Systemeinbindung in eine Leittechnik für Schaltanlagen oder einer Schutzdatenverarbeitung nach den VDEW/ZVEI-Empfehlungen für eine standardisierte serielle Schnittstelle integriert werden.A preferred application of the measured value filter 1 is in protection devices for medium, high and extra-high voltage systems. Protection devices equipped with such measured value processing can react almost error-free - even in the case of rapid network frequency reductions, which occur, for example, in weak networks due to short circuits or overloads. Over- or under-functions are largely avoided. Due to the constant sampling frequency in relation to additional functions, e.g. fault recording, such protection devices can also be fully integrated as part of a system integration in a control system for switchgear or a protection data processing according to the VDEW/ZVEI recommendations for a standardized serial interface.

Bei Realisierung des Meßwertfilters 1 als digitales Filter kann der Aufwand für Rechnerzeit in sehr geringen Grenzen gehalten werden, so daß sich eine Diskussion bezüglich Prozessorleistung erübrigt. Eine Softwarefunktion für eine adaptive Abtastratenanpassung kann entfallen. Durch die konstante Abtastrate ist auch eine einfache Realisierung von • Relativzeiten, die bei einer Meldeverarbeitung erforderlich ist, möglich.When the measurement value filter 1 is implemented as a digital filter, the amount of computer time required can be kept to a minimum, so that a discussion about processor performance is unnecessary. A software function for adaptive sampling rate adjustment can be omitted. The constant sampling rate also makes it possible to easily implement relative times, which are required for message processing.

Claims (7)

SchutzansprücheProtection claims 1. Meßwertfilter (1) für ein elektrisches Signal (3), das im wesentlichen aus einem periodischen Grundsignal mit bekannter Grundfrequenz und ggf. überlagerten Störungen besteht, wobei in drei unterschiedlichen Perioden des elektrischen Signals phasenwinkelgleiche Werte abgetastet und einem Filterglied (7) zugeführt werden, wobei das Filterglied (7) einen Frequenzgang aufweist, der bei der Grundfrequenz eine doppelte Nullstelle hat.1. Measurement value filter (1) for an electrical signal (3) which essentially consists of a periodic basic signal with a known basic frequency and possibly superimposed interference, whereby in three different periods of the electrical signal, values with the same phase angle are sampled and fed to a filter element (7), whereby the filter element (7) has a frequency response which has a double zero at the basic frequency. 2. Meßwertfilter nach Anspruch 1, wobei der Frequenzgang einen sinusförmigen Verlauf hat und bei der Grundfrequenz ein Minimum liegt.2. Measurement filter according to claim 1, wherein the frequency response has a sinusoidal shape and a minimum is located at the fundamental frequency. 3. Meßwertfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Frequenzgang seinem Betrag nach einen Verlauf entsprechend der Beziehung |F (Jl) |=2 |cos(n*-fL) - 1| hat.3. Measurement filter according to claim 1 or 2, wherein the frequency response has a course according to the relationship |F (Jl) |=2 |cos(n*-fL) - 1|. 4. Meßwertfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei drei phasenwinkelgleiche Werte in direkt aufeinander folgenden Perioden abgetastet werden.4. Measurement value filter according to one of claims 1 to 3, wherein three values with the same phase angle are sampled in directly successive periods. 5. Meßwertfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei5. Measurement filter according to one of claims 1 to 4, wherein das Signal (3) ein Wechselsignal eines Drehstromnetzes ist.the signal (3) is an alternating signal of a three-phase network. 6. Meßwertfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das gefilterte Signal (3a) einer Grenzwertbearbeitung zugeführt wird.6. Measurement filter according to one of claims 1 to 5, wherein the filtered signal (3a) is fed to a limit value processing. 7. Meßwertfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterglied (7) einen Rechner umfaßt und als digitales Filger ausgebildet ist.7. Measurement filter according to one of the preceding claims, wherein the filter element (7) comprises a computer and is designed as a digital filter. Wof/Doe / 14.08.1992Wof/Doe / 14.08.1992
DE9207800U 1992-06-10 1992-06-10 Measurement filter Expired - Lifetime DE9207800U1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4324513A1 (en) * 1993-07-21 1995-01-26 Zwosta Helge Dipl Ing Fh Method, circuit and measurement pickup for detecting physical quantities by selective measurement of electrical quantities of the response signal

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4324513A1 (en) * 1993-07-21 1995-01-26 Zwosta Helge Dipl Ing Fh Method, circuit and measurement pickup for detecting physical quantities by selective measurement of electrical quantities of the response signal

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