WO1999060691A1 - Messbrücke mit integrierter intelligenz - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a transducer for current and voltage measurement in the monitoring, control and automation of medium and large amounts of information in remote control systems.
- the invention relates to a transducer with integrated intelligence.
- Telecontrol systems offer a wide range of applications. Such systems have been used for some time in the supply networks for the transmission and distribution of electrical energy. Other fields of application include, for example, the distribution networks for gas, water or district heating, as well as traffic control technology.
- the basis of all the remote control applications is the technical principle that a supply system is monitored and its working behavior is logged in order to ensure a trouble-free course that is as long as possible.
- selected measuring points in the supply network at which a wide variety of measured variables can be tapped, are configured by the computer systems of the remote control substations of a measuring control center and visualized as data points, ie the respective measuring points can be queried individually depending on the monitoring task to be performed.
- the power distribution systems are locally connected to such high-voltage networks, for which purpose the current must be transformed down to a voltage level of 10 or 20 KV. While voltage maintenance and stability are of primary interest for long-distance transmission in the overhead lines, the control of short-circuit currents is the focus of the smaller distribution networks. These are often caused by surge peaks, such as those that occur during a lightning strike
- a remote control system has several components when monitoring or measuring the power supply.
- busbars are connected, which can either already act as primary conductors with a primary number of turns 1 or are enclosed by a secondary coil in order to form a transformer.
- the core of a secondary coil is simply pushed onto the conductor rail like a measuring shoe.
- This arrangement already represents a simple measuring transducer which converts the current of the high-voltage line tapped off via the busbar to scale to lower voltage or current values.
- the secondary values are typically in the value ranges of ⁇ 100 V for voltage transformers and ⁇ 5 A for current transformers.
- the measured variables transformed in this way are then transferred via a connection to a data line which leads to the remote control substations of the measuring control center, where these measured variables are processed accordingly become.
- further measuring transducers can be arranged in the course of this data line, which further weaken the voltages or currents down to ranges of ⁇ 10 V or ⁇ 20 mA according to the principle of galvanic isolation or magnetic induction known per se.
- Such a system of lined-up forming devices has the disadvantage that, in the event of overvoltage peaks in the distribution network, such as occur in the event of a lightning strike, even the galvanic isolation of a wide variety of transformers or measuring transducers is broken down, so that it extends into the remote control substation of the control center a "black route" can continue, which inevitably affects the controlled femoral measuring devices.
- known telecontrol systems work too imprecisely for today's requirements.
- the successive forming processes of the measured values recorded at the measuring points are not carried out exactly to scale, since errors in the amount and angle of the individual transformers lead to loss of scatter.
- the measurement accuracy is generally negatively influenced by the effect of the potential carry-over, as it occurs with several transformers connected in series.
- the present invention has for its object to provide a transducer for current and voltage measurement in telecontrol technology, which on the one hand has a high voltage and immunity to interference and on the other hand a high measurement accuracy.
- the present invention includes a transducer for current and voltage measurement in the monitoring, control and automation of medium and large amounts of information in remote control systems, which is indirectly or directly inductively coupled as a secondary conductor to a busbar acting as a primary conductor, which is at the measuring location a long-distance line, such as a supply high-voltage cable, is branched off, the current or voltage quantities being converted to measurement data to scale and then being transferred via a connection to a data line to a telecontrol substation of a measurement control center, where these measurement data are obtained from different measurement, counting and protection devices are processed, the transducer on the busbar is designed as a measuring bridge and has devices that convert and process these current or voltage values directly at the measurement location in measurement data, which then via the connection de r Data line are handed over.
- the measuring bridge has an integrated conductor track, which is connected via appropriate converter connections to the ends of the secondary coil surrounding the busbar, so that the current induced in this secondary coil by the primary conductor via this conductor track in the manner of a "shunt" by the Measuring bridge is redirected.
- a magnetic sensor on the measuring bridge, which is inductively coupled to this conductor track.
- this sensor is a Hall coupler known per se, which acts like a gate switch and generates a frequency of linear low-voltage values that is directly proportional to the current flowing in the conductor track.
- the Hall coupler is connected to a microcontroller, which is also arranged on the measuring bridge. It is a device that has, as a minimum, all the units necessary for integrated intelligence a microprocessor, a RAM and a ROM or EPROM unit and corresponding inputs and outputs.
- the low-voltage values supplied by the Hall coupler are further processed into more suitable measurement data via preprogrammed algorithms in the microcontroller.
- the measuring bridge has a measuring probe made of a magnetostrictive material.
- Magnetostrictive materials have the property of changing their length depending on a changing magnetic field, as occurs with current fluctuations in the busbar. This change in length is detected in a light field in the measuring probe, the optical signals thus obtained being passed on to the microcontroller, which converts them into suitable measurement data according to algorithms specially programmed for this purpose.
- the preprogrammed algorithms can be selected or changed as part of an "online" monitoring during the operation of the transducer.
- the microcontroller can be configured remotely from the measuring control center or can be operated remotely and freely programmable.
- the microcontroller unit can, depending on the measured data, carry out certain actuating actions at the measuring point via corresponding actuators, for example control processes which serve for voltage stability in the high-voltage cable, without the need for prior forwarding to the computer systems of the remote control substations.
- the microcontroller is connected to a connection arranged on the measuring bridge, which transmits the measurement data converted by it to a data line to the remote control substations of the measuring control center.
- the data line is provided as an optical waveguide, it comes as a connection according to Present invention a known optocoupler for use.
- optocouplers are particularly suitable for the transmission of various measurement data as they are output by a microcontroller.
- this connection is designed as a microwave transmitter, so that the signal is transmitted via radio to a receiver which can already be arranged in the measuring control center itself or at a sufficient distance from the measuring location. In the context of radio transmission, higher insulation distances can be achieved.
- the transducer equipped with such integrated intelligence according to the present invention can generally also be used as a data transmission unit in network structures, such as in LAN, WAN, neural or similar systems. Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments that do not restrict the invention.
- the drawings show:
- Fig. 1 is a schematic diagram of the transducer, according to the
- Fig. 2 is a schematic diagram of the transducer with a probe made of a magnetostrictive material.
- FIG. 1 shows the basic design principle of the transducer according to the present invention.
- the exact technical design can vary depending on spatial and general electrical requirements.
- the transducer 1 has a magnetic sensor 3, connected to it a microcontroller 4 and coupled to it a connection 5.
- the measuring transducer 1 is designed in the form of a measuring bridge and is connected to a busbar 2 which branches off at the measuring location, for example from a high-voltage cable. It is possible for the measuring bridge 1 to be pushed directly onto the conductor rail 2 in the manner of a measuring shoe or to be arranged indirectly in the course of retrofitting on a measuring platform already present on the conductor rail 2.
- the transducer 1 is connected via its transducer connections 6 to the ends of this secondary coil.
- a conductor track a so-called “shunt”, which redirects the current induced in the secondary coil by the busbar 2, runs through the measuring bridge 1 itself between the converter connections 6.
- the magnetic sensor 3 is inductively coupled to this interconnect in a manner known per se. According to an embodiment of the present invention, this magnetic sensor 3 is a Hall coupler that acts like a gate switch works and, depending on the induced current, outputs a digital signal power in the form of a linear frequency at low voltage values.
- the binary signals obtained in this way are read into the microcontroller 4 and processed by them according to pre-programmed algorithms into measurement data which are most suitable for the respective application.
- the microcontroller 4 transfers this measurement data to a connection 5 which is connected to the data line to the remote control substation of a measurement control center.
- the measurement data output by the microcontroller 4 are digitized and can advantageously be transmitted to the data line via an optocoupler.
- the optocoupler creates a galvanic separation between the electrical input and the output signal by converting the input signal into an optical signal, forwarding it optically and shaping it back into the output signal by a receiver.
- the receiver is arranged at the location of the remote control substation, the data line being designed as an optical waveguide.
- this connection 5 is designed as a microwave transmitter that transmits the data by radio to a receiver.
- the transmission mechanisms as light signals or as radio signals make it clear that the transducer 1 is completely isolated, since on the one hand it has no earthed connection and on the other hand it has no current-carrying data line. As a result, current or voltage peaks cannot be transmitted further than the transducer 1 itself. Strikethrough to the control center is thus prevented.
- data can also be transmitted in the opposite direction, that is from the measuring control center to the transducer 1, as is possible, inter alia, with the radio transmission so that certain operations can be carried out on the transducer 1 itself.
- the microcontroller 4 is of the type that allows remote programming or parameterization.
- the transducer 1 offers an essentially unlimited area of application. So it is generally as a data transmission unit in any structure of the
- Network communication can be used, such as neural networks.
- the magnetic sensor 3 is designed in the form of a measuring probe which uses the physical effects of magnetostrictive materials in the magnetic field. These magnetostrictive materials are similar to piezoelectric, but react to magnetic instead of electrical fields. If the external magnetic field changes, the magnetic domains of this material align themselves by rotation parallel to this external field and can thus deform the material. For example, the material Terfenol-D, which contains the rare earth metal terbium, expands by more than 0.1%.
- the measuring probe 3 is integrated into the housing of the measuring transducer 1, typically a plastic housing, which can be pushed onto the busbar 2.
- the measuring probe has a rod made of magnetostrictive material, which is aligned in the direction of the busbar 2 and is supported on one side.
- this change in the magnetic field is reflected in a change in the length of the rod made of the magnetostrictive material.
- the measuring probe 3 has an LCD window which is known per se and which changes its light transmission as a function of a pressure exerted thereon.
- the magnetostrictive rod is directly or indirectly connected to this LCD window, so that its change in length, which is proportional to the changing magnetic field, causes a change in permeability which is proportional to this.
- This change is detected in a light field, for which purpose the LCD window is integrated in a light guide and an incoming light signal is converted into corresponding pulse light signals by the variable permeability.
- This light guide is in turn connected to a photodiode on the microcontroller 4, so that it can process the respective pulse light signals into suitable measurement data depending on certain programmed algorithms.
- this microcontroller 4 can either be arranged directly on the housing of the transducer 1 or at a sufficient distance from it.
- An arrangement of the microcontroller 4 decoupled from the transducer 1 is required, for example, when extremely high magnetic fields occur in the vicinity of the transducer 1, which can lead to a failure of the microcontroller 4.
- the microcontroller 4 is connected to a connection 5 which has the aforementioned configurations and transmits the measurement data output by the microcontroller 4 to the measurement control center via a data line.
- transducer 1 is completely decoupled from the data line or measuring control center.
- the microcontroller 4 Because of its arbitrary programmability, the microcontroller 4 also opens up the possibility that depending on the read-in measurement data, the latter can already issue commands which directly effect positioning actions via actuators at the measurement location. The microcontroller 4 can thus already carry out control processes on the connected distribution network without this having to be carried out from the control center.
- the present invention is not limited to the above-mentioned exemplary embodiments, but can include all variants of a magnetic sensor with a microcontroller connected to it and subsequent non-electrical data transmission.
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Abstract
Meßwandler für die Strom- und Spannungsmessung bei der Überwachung, Steuerung und Automation mittlerer und großer Informationsmengen in fernwirktechnischen Systemen, der als Sekundärleiter an eine als Primärleiter wirkende Stromschiene mittelbar oder unmittelbar induktiv angekoppelt ist, die am Meßort einer Fernleitung, wie bspw. einem Versorgungshochspannungs-Kabel, abgezweigt ist, wobei die Strom- bzw. Spannungsgrößen maßstabsgetreu in Meßdaten umgewandelt und über einen Anschluß nachfolgend einer Datenleitung zu einer Fernwirkunterstation einer Meßleitstelle übergeben werden, wo diese Meßdaten von unterschiedlichen Meß-, Zähl- und Schutzeinrichtungen verarbeitet werden, wobei der Meßwandler auf der Stromschiene als Meßbrücke ausgebildet ist und Vorrichtungen aufweist, die diese Strom- bzw. Spannungsgrößen direkt am Meßort in Meßdaten umwandeln und verarbeiten, die dann über den Anschluß der Datenleitung übergeben werden.
Description
Meßbrücke mit integrierter Intelligenz
BESCHREIBUNG
Vorliegende Erfindung betrifft einen Meßwandler für die Strom- und Spannungsmessung bei der Überwachung, Steuerung und Automation mittlerer und großer Informationsmengen in femwirktechnischen Systemen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Meßwandler mit integrierter Intelligenz.
Fernwirksysteme bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. So kommen derartige Systeme seit geraumer Zeit in den Versorgungsnetzen zur Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie zum Einsatz. Weitere Anwendungsfelder bieten beispielsweise die Verteilungsnetze der Gas-, Wasser- oder Fernwärmeversorgung, sowie auch die Verkehrsleittechnik. Allen femwirktechnischen Anwendungen liegt das technische Prinzip zugrunde, daß eine versorgungstechnische Anlage überwacht und deren Arbeitsverhalten protokolliert wird, um einen möglichst andauernden störungsfreien Verlauf sicherzustellen. Hierbei werden ausgewählte Meßpunkte im Versorgungsnetz, an denen die unterschiedlichsten Meßgrößen abgegriffen werden können, von den Rechneranlagen der Fernwirkunterstationen einer Meßleitstelle konfiguriert und als Datenpunkte visualisiert, d.h. die jeweiligen Meßpunkte können in Abhängigkeit der zu erfüllenden Überwachungsaufgabe individuell abgefragt werden. Beim Auftreten einer Störungsursache steht die Alarmierung und das zeitfolgerichtige Einordnen der Meßsignale im Vordergrund, damit der Ort der Störungsursache, sozusagen "online", zurückverfolgt werden kann, so daß von der Leitstelle unverzüglich die notwendigen Aktionen, wie beispielsweise ein Notabschalten des Teilnetzes oder eine Nachregulierung der Strom- bzw. Spannungswerte beim Einspeisen ins Netz, ausgeführt werden können.
Zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie in Netzen und Anlagen werden Freileitungen und Starkstromkabel sowie Transformatoren und diverse Schaltgeräte eingesetzt. In den Hochspannungsnetzen werden in der Regel Drehströme mit Spannungen bis zu 765 KV übertragen. Hierbei beträgt die Betriebsfrequenz derartiger Drehstromnetze in den europäischen Ländern 50 Hz. An derartige Starkstromnetze sind lokal die Energieverteilungssysteme angeschlossen, wobei hierzu der Strom auf eine Spannungsebene von 10 oder 20 KV herunter transformiert werden muß. Während für die Fernübertragung in den Überlandleitungen die Spannungshaltung und - Stabilität von vordringlichem Interesse sind, bildet die Beherrschung der Kurzschlußströme den Schwerpunkt bei den kleineren Verteilungsnetzen. Diese werden häufig durch Überspannungsspitzen hervorgerufen, wie sie beispielsweise bei einem Blitzeinschlag auftreten
Im Stand der Technik weist ein femwirktechnisches System bei der Überwachung bzw. Messung der Stromversorgung mehrere Komponenten auf. An ausgewählten Meßpunkten eines Versorgungshochspannungskabels einer Überlandleitung sind Stromschienen angeschlossen, die entweder bereits selbst als Primärleiter mit einer primären Windungszahl 1 wirken können oder von einer Sekundärspule umschlossen sind, um einen Transformator auszubilden. Im ersten Fall wird einfach der Kern einer Sekundärspule wie ein Meßschuh auf die Stromschiene geschoben. Diese Anordnung stellt bereits einen einfachen Meßwandler dar, der den über die Stromschiene abgegriffenen Strom der Hochspannungsleitung maßstabsgetreu auf niedrigere Spannungs- bzw. Stromwerte umwandelt. Die Sekundärgrößen liegen typischerweise in Wertebereichen von < 100 V bei Spannungswandlern und von < 5 A bei Stromwandlern. Die so transformierten Meßgrößen werden anschließend über einen Anschluß an eine Datenleitung übergeben, die zu den Fernwirkunterstationen der Meßleitstelle führt, wo diese Meßgrößen entsprechend verarbeitet
werden. Je nach Bedarf können im Verlauf dieser Datenleitung weitere Meßumformvorrichtungen angeordnet sein, die nach dem an sich bekannten Prinzip der galvanischen Trennung bzw. magnetischen Induktion die Spannungen bzw. Ströme bis in Bereiche von < 10 V bzw. von < 20 mA weiter abschwächen.
Einem derartigen System aneinandergereihter Umformvorrichtungen wohnt der Nachteil inne, daß im Fall von Überspannungsspitzen im Verteilungssnetz, wie sie beispielsweise im Falle eines Blitzeinschlags auftreten, selbst noch die galvanische Trennung der unterschiedlichsten Transformatoren bzw. Meßwandler durchschlagen wird, so daß sich bis in die Fernwirkunterstation der Leitstelle eine "schwarze Strecke" fortsetzen kann, was unweigerlich die angesteuerten femwirktechnischen Meßgeräte in Mitleidenschaft zieht. Darüber hinaus zeigt sich das Problem, daß bekannte Fernwirksysteme für heutige Anforderungen zu ungenau arbeiten. Die aufeinanderfolgenden Umformvorgänge der an den Meßpunkten aufgenommenen Meßwerte erfolgen nicht exakt maßstabsgetreu, da Betrags- und Winkelfehler der einzelnen Transformatoren zu Streuungsverlusten führen. Die Meßgenauigkeit wird im allgemeinen noch durch den Effekt der Potentialverschleppung negativ beeinflußt, wie er bei mehreren in Reihe geschalteten Transformatoren in Erscheinung tritt.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler für die Strom- und Spannungsmessung in der Fernwirktechnik zu bewerkstelligen, der einerseits eine hohe Spannungs- und Störfestigkeit und andererseits eine hohe Meßgenauigkeit aufweist. Zusätzlich ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Meßwandler mit einer integrierten Intelligenz auszustatten, so daß in Abhängigkeit der zugrunde liegenden Meßaufgabe bereits eine entsprechende Vorverarbeitung der Meßgrößen erfolgen und gegebenenfalls der Meßwandler bereits Stellaktionen am Meßort durchführen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die vorliegende Erfindung einen Meßwandler für die Strom- und Spannungsmessung bei der Überwachung, Steuerung und Automation mittlerer und großer Informationsmengen in femwirktechnischen Systemen, der als Sekundärleiter an eine als Primärleiter wirkende Stromschiene mittelbar oder unmittelbar induktiv angekoppelt ist, die am Meßort einer Fernleitung, wie bspw. einem Versorgungshochspannungskabel, abgezweigt ist, wobei die Strom- bzw. Spannungsgrößen maßstabsgetreu in Meßdaten umgewandelt und über einen Anschluß nachfolgend einer Datenleitung zu einer Fernwirkunterstation einer Meßleitstelle übergeben werden, wo diese Meßdaten von unterschiedlichen Meß-, Zähl- und Schutzeinrichtungen verarbeitet werden, wobei der Meßwandler auf der Stromschiene als Meßbrücke ausgebildet ist und Vorrichtungen aufweist, die diese Strom- bzw. Spannungsgrößen direkt am Meßort in Meßdaten umwandeln und verarbeiten, die dann über den Anschluß der Datenleitung übergeben werden.
Im Falle einer mittelbaren Ankopplung weist die Meßbrücke eine integrierte Leiterbahn auf, die über entsprechende Wandleranschlüsse mit den Enden der die Stromschiene umgebenden Sekundärspule verbunden ist, so daß der in dieser Sekundärspule vom Primärleiter induzierte Strom über diese Leiterbahn in der Art eines "Shunts" durch die Meßbrücke umgeleitet wird. Auf der Meßbrücke befindet sich ein magnetischer Sensor, der an diese Leiterbahn induktiv angekoppelt ist.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist dieser Sensor ein an sich bekannter Hall-Koppler, der wie ein Torschalter wirkt und eine zum in der Leiterbahn fließenden Strom direkt proportionale Frequenz an linearen Niederspannungswerten erzeugt. Der Hall-Koppier ist mit einem Mikrocontroller verbunden, der ebenfalls auf der Meßbrücke angeordnet ist. Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung, die sämtliche für eine integrierte Intelligenz notwendigen Einheiten aufweist, wie mindestens
einen Mikroprozessor, eine RAM- und eine ROM- oder EPROM-Einheit sowie entsprechende Ein- und Ausgänge. Über vorprogrammierte Algorithmen im Mikrocontroller werden die vom Hall-Koppler gelieferten Niederspannungswerte in geeignetere Meßdaten weiter verarbeitet.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Meßbrücke eine Meßsonde aus einem magnetostriktiven Material auf. Magnetostriktive Werkstoffe besitzen die Eigenschaft, ihre Länge in Abhängigkeit eines sich ändernden Magnetfelds zu ändern, wie dies bei Stromfluktuationen in der Stromschiene auftritt. In der Meßsonde wird diese Längenänderung in einem Lichtfeld detektiert, wobei die so erhaltenen optischen Signale an den Mikrocontroller übergeben werden, der diese nach speziell hierfür programmierten Algorithmen in geeignete Meßdaten umformt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich die vorprogrammierten Algorithmen im Rahmen einer "Online"-Überwachung während des Betriebs des Meßwandlers auswählen bzw. ändern. Hierzu ist der Mikrocontroller von der Meßleitstelle aus fernparametrierbar bzw. fernbedienbar und frei programmierbar ausgestaltet.
In Fortführung der vorliegenden Erfindung kann die Mikrocontrollereinheit in Abhängigkeit der gemessenen Daten über entsprechende Stellglieder bereits bestimmte Stellaktionen an der Meßstelle ausführen, beispielsweise Regelvorgänge, die der Spannungsstabilität im Hochspannungskabel dienen, ohne daß es der vorherigen Weiterleitung zu den Rechneranlagen der Fernwirkunterstationen bedarf.
Im Rahmen der Erfindung ist der Mikrocontroller mit einem auf der Meßbrücke angeordneten Anschluß verbunden, der die von diesem umgewandelten Meßdaten an eine Datenleitung zu den Fernwirkunterstationen der Meßleitstelle übermittelt. Ist die Datenleitung als Lichtwellenleiter vorgesehen, kommt als Anschluß gemäß der
vorliegenden Erfindung ein an sich bekannter Optokoppler zur Anwendung. Derartige Optokoppler eignen sich speziell für die Übertragung diverser Meßdaten, wie sie von einem Mikrocontroller ausgegeben werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dieser Anschluß als Mikrowellensender ausgebildet, so daß die Signalübertragung über Funk an einen Empfänger erfolgt, der bereits in der Meßleitstelle selbst oder in weit genügender Entfernung vom Meßort angeordnet sein kann. Im Rahmen der Funkübermittlung lassen sich so höhere Isolationsabstände bewerkstelligen.
Die vorgenannten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, daß ein Durchschlagen von Überspannungspitzen verhindert wird. Infolge der Umwandlung der Strom- bzw. Spannungswerte in binäre Signale kann ein Strom nicht weiter als bis zum Sensor des Meßwandlers übertragen werden. Durch diese "Insel- Lösung" des Meßwandlers, der ohne einen geerdeten Anschluß so beliebige Strom- bzw. Spannungsspitzen aufnehmen kann, ist eine vollständige Entkopplung gewährleistet. Desweiteren ermöglicht die Umwandlung der Meßsignale in binäre Meßdaten durch die Ansteuerung des Mikrocontrollers eine fehlerfreie und maßstabsgetreue Übermittlung, da unter anderem Einflüsse der magnetischen Felder ignoriert werden können. Aufgrund des Einsatzes eines Lichtwellenleiters oder einer Funkübertragung wird darüber hinaus die Gefahr der Potentialverschleppung vermieden.
Der mit einer derartigen integrierten Intelligenz ausgestattete Meßwandler gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich im allgemeinen auch als eine Datenübertragungseinheit in Netzwerkstrukturen einsetzen, wie beispielsweise in LAN-, WAN-, neuronalen oder dergleichen Systemen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele wiedergeben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Meßwandlers, gemäß der
Erfindung mit sämtlichen Komponenten; und
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Meßwandlers mit einer Meßsonde aus einem magnetostriktiven Material.
Die in der Fig. 1 gezeigte schematische Darstellung gibt das grundlegende Aufbauprinzip des Meßwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. Die genaue technische Ausgestaltung kann in Abhängigkeit räumlicher sowie allgemeiner elektrotechnischer Erfordernisse variieren. Im wesentlichen weist der Meßwandler 1 einen magnetischen Sensor 3, damit verbunden einen Mikrocontroller 4 und an diesen gekoppelt einen Anschluß 5 auf. Der Meßwandler 1 ist in der Form einer Meßbrücke ausgestaltet und steht mit einer Stromschiene 2 in Verbindung, die am Meßort beispielsweise von einem Hochspannungskabel, abzweigt. Hierbei ist es möglich, daß die Meßbrücke 1 in der Art eines Meßschuhs unmittelbar auf die Stromschiene 2 aufgeschoben oder im Zuge einer Nachrüstung auf eine bereits auf der Stromschiene 2 vorhandene Meßplattform mittelbar angeordnet wird. Ist die Stromschiene 2 von einer Sekundärspule umgeben, wird der Meßwandler 1 über seine Wandleranschlüsse 6 mit den Enden dieser Sekundärspule verbunden. Durch die Meßbrücke 1 selbst verläuft zwischen den Wandleranschlüssen 6 eine Leiterbahn, ein sogenannter "Shunt", der den in der Sekundärspule von der Stromschiene 2 induzierten Strom umleitet. An diese Leitbahn ist der magnetische Sensor 3 nach an sich bekannter Weise induktiv angekoppelt. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist dieser magnetische Sensor 3 ein Hall-Koppler, der wie ein Torschalter
arbeitet und in Abhängigkeit des induzierten Stroms eine digitale Signalleistung in Form einer linearen Frequenz an Niederspannungswerten ausgibt.
Die so erhaltenen binären Signale werden in den Mikrocontroller 4 eingelesen und von diesen nach vorprogrammierten Algorithmen in Meßdaten verarbeitet, die für den jeweiligen Anwendungsfall am geeignetsten sind. Der Mikrocontroller 4 übergibt diese Meßdaten an einen Anschluß 5, der mit der Datenleitung zu der Fernwirkunterstation einer Meßleitstelle verbunden ist. Die vom Mikrocontroller 4 ausgegebenen Meßdaten sind digitalisiert und lassen sich in vorteilhafter Weise über einen Optokoppler an die Datenleitung übertragen. Der Optokoppler stellt zwischen dem elektrischen Eingangsund dem Ausgangssignal eine galvanische Trennung dadurch her, daß das Eingangssignal in ein optisches Signal umgeformt, auf optischen Wege weitergeleitet und von einem Empfänger in das Ausgangssignal zurück geformt wird. Der Empfänger ist hierbei am Ort der Fernwirkunterstation angeordnet, wobei die Datenleitung als ein Lichtwellenleiter ausgebildet ist.
Bei Netzen ab 200 KV können statische Ableitungen auf den Lichtwellenleiter Störeinflüsse ausüben. Aus diesem Grund ist dieser Anschluß 5 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als Mikrowellensender ausgebildet, der die Daten per Funk zu einem Empfänger sendet.
Die Übertragungsmechanismen als Lichtsignale bzw. als Funksignale verdeutlichen, daß der Meßwandler 1 vollständig isoliert ist, da er einerseits keinen geerdeten Anschluß und andererseits keine stromführende Datenleitung aufweist. Demzufolge können Strom- bzw. Spannungsspitzen nicht weiter als bis auf den Meßwandler 1 selbst übertragen werden. Ein Durchschlagen bis in die Leitstelle ist somit verhindert.
Eine Datenübertragung kann gemäß der Erfindung auch in umgekehrter Richtung, also von der Meßleitstelle zum Meßwandler 1 , erfolgen, wie dies unter anderem die Ausführung mit der Funkübertragung ermöglicht, so daß am Meßwandler 1 selbst bestimmte Operationen durchgeführt werden können. Zu diesem Zweck ist der Mikrocontroller 4 von der Art, die eine Fernprogrammierung bzw. -parametrierung erlaubt. So lassen sich von der Leitstelle aus bestimmte Meßparameter und Meßbereiche verändern sowie bestimmte Algorithmen im Hauptspeicher des Mikrocontrollers 4 abändern, auswählen oder neu programmieren. Dies verdeutlicht, daß mit einer derartigen integrierten Intelligenz der Meßwandler 1 gemäß der vorliegenden Erfindung einen im wesentlichen unbegrenzten Einsatzbereich bietet. So ist er im allgemeinen als eine Datenübertragungseinheit in beliebigen Strukturen der
Netzwerkkommunikation einsetzbar, wie beispielsweise neuronalen Netzwerken.
In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführung des Meßwandlers 1 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der magnetische Sensor 3 ist in der Form einer Meßsonde ausgebildet, die sich der physikalischen Effekte von magnetostriktiven Materialien im Magnetfeld bedient. Diese magnetostriktiven Werkstoffe ähneln den piezoelektrischen, reagieren aber auf magnetische statt auf elektrische Felder. Ändert sich das äußere magnetische Feld, richten sich die magnetischen Domänen dieses Materials durch Drehung parallel zu diesem äußeren Feld aus und können so den Werkstoff verformen. So dehnt sich beispielsweise der Werkstoff Terfenol-D, welcher das seltene Erdmetall Terbium enthält, um mehr als 0, 1 % aus.
Die Meßsonde 3 ist bei dieser Ausführung in das Gehäuse des Meßwandlers 1 , typischerweise ein Kunststoffgehäuse, integriert, das auf die Stromschiene 2 aufschiebbar ist. Die Meßsonde weist einen Stab aus magnetostriktivem Material auf, der in Richtung der Stromschiene 2 ausgerichtet und einseitig gelagert ist. Oszilliert der Strom in der
Stromschiene 2, beispielsweise durch das Auftreten von Überspannungsspitzen, ändert sich auch das diese Stromschiene 2 umgebende Magnetfeld. In der Meßsonde 3 schlägt sich diese Änderung des Magnetfelds in einer Längenänderung des Stabs aus dem magnetostriktiven Material nieder. Zur Detektion der Ausdehnung dieses Stabs weist die Meßsonde 3 ein an sich bekanntes LCD-Fenster auf, das in Abhängigkeit eines darauf ausgeübten Drucks seine Lichtdurchlässigkeit ändert. Der magnetostriktive Stab steht unmittelbar oder mittelbar mit diesem LCD-Fenster in Verbindung, so daß dessen zum sich ändernden Magnetfeld proportionale Längenänderung eine hierzu proportionale Durchlässigkeitsänderung bewirkt. Diese Änderung wird in einem Lichtfeld detektiert, wobei hierzu das LCD-Fenster in einem Lichtleiter integriert ist und ein eingehendes Lichtsignal durch die veränderliche Durchlässigkeit in entsprechende Impulslichtsignale umgewandelt wird. Dieser Lichtleiter steht wiederum mit einer Photodiode an dem Mikrocontroller 4 in Verbindung, so daß dieser in Abhängigkeit bestimmter programmierter Algorithmen die jeweiligen Impulslichtsignale in geeignete Meßdaten verarbeiten kann. Im vorliegenden Fall kann dieser Mikrocontroller 4 entweder direkt auf dem Gehäuse des Meßwandlers 1 oder in genügend großer Entfernung dazu angeordnet sein. Eine vom Meßwandler 1 entkoppelte Anordnung des MikroControllers 4 ist beispielsweise dann erforderlich, wenn in der näheren Umgebung des Meßwandlers 1 extrem hohe magnetische Felder auftreten, die zu einem Versagen des Mikrocontrollers 4 führen können. Der Mikrocontroller 4 ist mit einem Anschluß 5 verbunden, der die vorgenannten Ausgestaltungen aufweist und die vom Mikrocontroller 4 ausgegebenen Meßdaten über eine Datenleitung zur Meßleitstelle überträgt.
In dieser Ausführungsform wird ebenfalls deutlich, daß der Meßwandler 1 von der Datenleitung bzw. Meßleitstelle vollständig entkoppelt ist.
Überspannungsspitzen in der Stromschiene 2 können durch die
vollständige Isolation der Meßsonde 3 und der anschließenden
Umwandlung in binäre Signale durch den Mikrocontroller 4 elektrisch nicht weitergeleitet werden, da keinerlei elektrische Übertragungsmöglichkeiten bestehen.
Die vorhergehend genannten unterschiedlichen Ausgestaltungen des Meßwandlers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, daß nachfolgende Gerätschaften, wie Meßeinrichtungen in den Fernwirkunterstationen, nunmehr vollständig geschützt sind und ihre Funktionssicherheit gewährleistet ist. Des weiteren verdeutlicht der Einsatz eines Mikrocontrollers 4 neuester Technologie, daß die Umwandlung der Meßwerte mit genauester Präzision erfolgt, wie dies für eine Fernabnahme bzw. bei der Fernversorgung der Einzelabnehmer in heutiger Zeit von entscheidendem Interesse ist.
Aufgrund seiner beliebigen Programmierbarkeit eröffnet der Mikrocontroller 4 auch die Möglichkeit, daß in Abhängigkeit der eingelesenen Meßdaten dieser bereits Befehle ausgeben kann, die über Stellglieder am Meßort direkt, Stellaktionen bewirken. So kann der Mikrocontroller 4 bereits Regelvorgänge am angeschlossenen Verteilernetz durchführen, ohne daß dies von der Leitstelle aus durchgeführt werden muß.
Selbstverständlich bleibt die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann sämtliche Varianten eines magnetischen Sensors mit einem daran angeschlossenen Mikrocontroller und anschließender -nicht-elektrischer Datenübertragung umfassen.
Claims
1. Meßwandler für die Strom- und Spannungsmessung bei der Überwachung, Steuerung und Automation mittlerer und großer Informationsmengen in femwirktechnischen Systemen, der als Sekundärleiter an eine als Primärleiter wirkende Stromschiene mittelbar oder unmittelbar induktiv angekoppelt ist, die am Meßort einer Fernleitung, wie bspw. einem Versorgungshochspannungs- kabel, abgezweigt ist, wobei die Strom- bzw. Spannungsgrößen maßstabsgetreu in Meßdaten umgewandelt und über einen Anschluß nachfolgend einer Datenleitung zu einer
Fernwirkunterstation einer Meßleitstelle übergeben werden, wo diese Meßdaten von unterschiedlichen Meß-, Zähl- und Schutzeinrichtungen verarbeitet werden, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Meßwandler auf der Stromschiene als Meßbrücke ausgebildet ist und Vorrichtungen aufweist, die diese Strom- bzw. Spannungsgrößen direkt am Meßort in Meßdaten umwandeln und verarbeiten, die dann über den Anschluß der Datenleitung übergeben werden.
2. Meßwandler nach Anspruch 1 , d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Meßbrücke einen magnetischen Sensor aufweist, der an eine in der Meßbrücke integrierte Leiterbahn induktiv angekoppelt ist, die über Wandleranschlüsse mittelbar mit den. Enden einer die Stromschiene umgebenden Sekundärspule verbunden ist, in der ein vom Primärleiter induzierter Strom fließt.
3. Meßwandler nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Sensor ein Hall-Koppler ist, der in der Art eines
Torschalters eine zum induzierten Strom direkt proportionale Frequenz an linearen Niederspannungswerten erzeugt.
4. Meßwandler nach Anspruch 1 , d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Meßbrücke eine Meßsonde aus einem magnetostriktiven
Material aufweist, die unmittelbar an die Stromschiene angekoppelt ist, wobei eine Änderung des den Primärleiter umgebenden Magnetfeldes eine direkt proportionale Längenänderung des magnetostriktiven Materials bewirkt, die in einem Lichtfeld detektiert wird.
5. Meßwandler nach Anspruch 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Meßbrücke einen Mikrocontroller zur Verarbeitung der Niederspannungswerte in Meßdaten nach hierfür programmierten Algorithmen aufweist, der mit dem Anschluß zur Datenleitung verbunden ist.
6. Meßwandler nach Anspruch 4, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Meßbrücke einen Mikrocontroller zur Verarbeitung der optischen Signale in Meßdaten nach hierfür programmierten
Algorithmen aufweist, der mit dem Anschluß zur Datenleitung verbunden ist.
7. Meßwandler nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller zur Änderung und Auswahl bestimmter programmierter Algorithmen und zur Durchführung bestimmter Stellaktionen an der Fernleitung fernparametrierbar und/oder freiprogrammierbar ist.
8. Meßwandler nach Anspruch 7, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Anschluß ein Optokoppler, ein Mikrowellen-Sender oder dergleichen ist.
9. Verwendung eines Meßwandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Datenübertragungseinheit in übergeordneten Einheiten der Netzwerkkommunikation, wie bspw. LAN-, WAN- oder neuronalen Strukturen.
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