WO2009109490A1 - Hochspannungsanlage und verfahren zur datenübertragung in einer hochspannungsanlage - Google Patents

Hochspannungsanlage und verfahren zur datenübertragung in einer hochspannungsanlage Download PDF

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WO2009109490A1
WO2009109490A1 PCT/EP2009/052184 EP2009052184W WO2009109490A1 WO 2009109490 A1 WO2009109490 A1 WO 2009109490A1 EP 2009052184 W EP2009052184 W EP 2009052184W WO 2009109490 A1 WO2009109490 A1 WO 2009109490A1
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WO
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PCT/EP2009/052184
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Inventor
Hermann Koch
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks

Definitions

  • the invention relates to a high voltage system according to the preamble of claim 1 and a method for data transmission in a high voltage system according to the preamble of claim. 7
  • the monitoring of high voltage systems is of great importance for the life and economy of such a system.
  • monitoring is insbesonde- re taken to ensure that the status of the head of a high-voltage system or the state of a switch within half ⁇ a high-voltage system in the context of pre Festge ⁇ laid intervals moves.
  • the state of the conductor is determined by measuring variables such as voltage, current, temperature, pressure, partial discharges and, in the case of switchgear, also the position of the switch with the aid of sensors.
  • the sensors are connected via cable to interface devices before another interface prepares the data via the field protection and field device.
  • the different interfaces bring a high complexity and are expensive to install and maintain.
  • the installation effort, the testing and parameterization work and costs are considerable, and the susceptibility of such sensors to error is great.
  • the causes of faults in switchgear are mostly in secondary technology.
  • a 100 volt is standard signal value from the voltage converter via an electronic conversion interface into the protection and control system is fed ⁇ in the art.
  • standard signal values of 1 or 5 amps are applied.
  • the different couplings make the handling complex and yet have only limited significance.
  • the object of the present invention is to provide a high-voltage system which creates a suitable coupling of sensors for current, temperature, pressure, position and partial discharges.
  • the object is achieved with a high-voltage system, which has the features of claim 1 ⁇ .
  • the device for detecting a measured variable of the conductor comprises a semiconductor substrate, the Minim ⁇ a sensor least one disposed on the semiconductor substrate nano- and micro-sensor, the apparatus can be made very small and highly integrated.
  • the device has a digital data interface, which is likewise arranged on the semiconductor substrate.
  • the data processing system also includes an interface ⁇ put on, wherein the interface with the at least one device via the data interface to the information and / or data transfer is connectable.
  • a data processing system receives the data directly from the device without intervening so-called “merging units” or conversion interface parts.
  • the sensor signal arriving at the digital data interface of the device is already digital and can thus be made available to the data processing system in a much simpler manner.
  • the radio-based communica ⁇ tion between the data processing system and the at least one sensor is achieved through a radio channel.
  • the radio signal can be transmitted in the gigahertz range.
  • relatively large ranges between the data processing system and the sensor or the device can be achieved.
  • radio waves spread much more concentrated and become from the atmosphere strongly attenuated, so that a few meters away from the Funkka ⁇ nal no sufficient reception strength is available.
  • a radio relay in the terahertz range would thus be a "cable route without cable".
  • the power and direction of a terahertz radio transmission in a high voltage system can be designed to reach only the assigned sensors.
  • the interface and the data interface of the at least one device are connected via a process bus structure.
  • the circuit logic is designed such that it comprises an identifier and / or a signal conditioner and / or a digitizer. In this case, for applying the circuit logic on the
  • Semiconductor substrate for example, TTL modules are used.
  • TTL modules Semiconductor substrate, for example, TTL modules are used.
  • the query can be wired or via radio signals.
  • This makes it possible to target individual sensors without ever a dataflow Zvi ⁇ rule data preparation system and a single sensor must be provided.
  • Information is only requested at certain points in time, which reduces the amount of data in the data processing system to a necessary level. As a result, the handling of the entire switching ⁇ field is easier and more effective. This is special then important, if one considers the high-voltage system or high-voltage switchgear or gas-insulated high-voltage switchgear ⁇ in its entirety with switchgear, control panel, substation and all the devices and sensors located therein.
  • An identifier can be realized via surface acoustic wave filters.
  • the sensor is identified via a comb filter when a radio signal reaches this, and evaluated the reflection of the radio signal. With the aid of the reflected radio signal a precise sensor assignment is clearly achieved, and the transmitted data signals can be uniquely assigned.
  • the measured values of the most varied measured variables such as current, voltage, temperature, pressure, position of a switch or partial discharges determined by the sensors, which are initially only available in analog form, are processed and advantageously converted by means of a uniform data protocol into a standardized, uniform one for all measured variables Converted record format.
  • the digi ⁇ talêtome using the digitizer data for all measurements is the same structure that the analysis in the data processing plant simplistic ⁇ kindled. This results in the possibility of all measurement data z. B.
  • the highest standard components can be used.
  • at least two devices are present, wherein the interface of the data processing system is connected to the data interface of each of the at least two devices.
  • the data transfers and data structures realized on the basis of the previously mentioned variants can be used most efficiently in a system with a multiplicity of devices or sensors.
  • a uniform data protocol such as use is made of the IEC 61850, which is already used in the field of high-voltage systems.
  • Data treatment simplifies the start-up of high-voltage switchgear ⁇ and offers a high degree of data processing standardization in a high-voltage system especially.
  • simplified data processing in particular offers a benefit through reduced variance of possibilities and thus a reduction in the probability of error.
  • the use of a single central data processing system in a high voltage system also reduces data variance within the high voltage system and the associated error sources.
  • the standard data structures at the sensor level and the central data processing system at high voltage field level simplify They handle data handling at the high-voltage substation level and help to increase the reliability of the high-voltage system during operation.
  • the devices used become both simpler in hardware and in software, which in turn leads to simplification of the technique and to a cheaper design of the high voltage equipment.
  • the high-voltage system is particularly suitable for a method for data transmission, in which a measured value of a measured variable is measured with the at least one sensor of the at least one device. Furthermore, the measured value is processed within the circuit logic to a data set, whereby the conversion of different variables in a protocol or a few protocols is possible, which simplifies the whe ⁇ re data processing. The data is then passed to the digital data interface and transfe ⁇ riert to the interface of the data processing system, whereby the measurement of the central data processing is available.
  • the at least one sensor of the at least one device is sent a request to carry out a measurement.
  • This has the advantage that the measurements do not have to be carried out constantly, but only if necessary, which - as already mentioned above - significantly reduces the size of the data volume which is obtained at the data processing plant without sacrificing the informative value of the data To accept data.
  • the request can be made by radio or by cable.
  • the measurement is independent of the measured variable in the signal processing in a uniform processed data log.
  • the measurement is independent of the measured variable in the signal processing in a uniform processed data log.
  • the data record after the data record has been transferred to the data processing system, the data record is supplemented with further data and subsequently forwarded, for example, to the protection and control system.
  • the further data, z. As time or special incidents, can be attached by means of a standard method to the record.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a high voltage ⁇ switchgear
  • FIG. 2 is a schematic flow diagram of a method for data transmission in a high-voltage switchgear
  • Fig. 3 is a schematic representation of a data set.
  • the 1 shows a high-voltage switchgear 1, which comprises a protection and control system 2, a data processing system 3 and two devices 4, 4 'for detecting a measured variable of a conductor 5 and the conductor 5 itself.
  • the conductor 5 is preferably a gas-insulated conductor with a housing not shown at this point.
  • the protection and control system 2 corresponds to a common protection and control system, as used in today's high-voltage switchgear. Via a connection 200, which is cable-based, is the protection and control system 2 with the data processing system 3 connected.
  • the aufberei ⁇ processing plant 3 comprises a control unit 31 for coordinating the various activities of the data processing plant (eg., One or more CPUs or relay), a database 32 with the captured by the data processing plant 3 sensors or devices and their identifiers and a plurality of additional supplementary information 33, which originate from areas other than the database or the devices 4, 4 'connected to the data processing system 3.
  • the data processing system 3 also has an interface 37, which communicates with the devices 4, 4 'via a process bus structure and receives information or data from the devices 4, 4' or sends them to them.
  • the device 4 has three microsensors 41, 42, 43, wherein the microsensor 41 measures a voltage applied to the conductor 5, the microsensor 42 measures a current applied to the conductor 5 and the microsensor 43 a temperature in the region of the conductor 5.
  • Each of the three micro-sensors is a separate circuit logic 44, 45, allocated 46, wherein the logic circuit in more detail ⁇ be addressed.
  • the device 4 also has a digital data interface 47, which is designed for communication and information and / or data transfer with the aufberei ⁇ processing plant 3 or its interface 37th
  • the microsensors 41, 42, 43 and the circuit logic 44, 45, 46 and the interface 47 are arranged on a common semiconductor substrate 40.
  • the circuit logic 45 is explained in more detail.
  • the identifier is based on the task of clearly identifying the sensor 42 assigned to it. That is, carried out at a Aufforde ⁇ tion of the data processing plant 3 to the micro-sensor 42, a measurement, the sensor is uniquely identified by the identifier 450th As such, the microsensor 42 performs a measurement and measures the current applied to the conductor 5.
  • This analog signal, taken in isolation, is processed in the signal conditioner 451 into a unitary form.
  • the analog measured value is based ⁇ punched in the circuit logic embedded components and by means of the digitizer 452 into an n-bit word Gewan, the protocol structures of the n-bit word are uniform.
  • the data record in the form of the n-bit word has the same structure independently of the measured variable measured, so that the measured variable received by the microsensor 42 and the measured value derived therefrom exist in the same form on the digital data interface 47 as, for example, a the voltage absorbed by the microsensor 41.
  • the data record obtained with the aid of the microsensor 42 is transferred via the digital data interface via a cable-based connection 100 to the interface 37 of the data processing system 3.
  • Control unit 31 controlled and rank ⁇ compared with the database 32 ⁇ and optionally supplemented with additional information 33 to a (n + m) bit word, which is then passed to the protection and control system 2. Furthermore, additional information such as time or time since the last measurement may be included in the m-bit area of the word.
  • the device 4 ' also has a semiconductor substrate 40' with its sensors being the nanosensors 41 ', 42', 43 '.
  • Each nanosensors is a separate circuit ⁇ logic 44 ', 45', associated with 46 ', which identifies, processed and digitized, the signals received from the sensors Nanosen ⁇ readings.
  • the processed data are summarized in one record and passed to the digital data interface ⁇ 47 '.
  • connection 100 'between the digital data interface 47' and the interface 37 is radio-based in this case.
  • This is an example of the nanosensor 41 'and its associated
  • Circuit logic 44 Explained.
  • a directional radio signal in the low terahertz range is sent to the device 4 '.
  • the digital data interface 47 receives the signal and forwards it to the circuit logic 44', 45 'and 46'.
  • the transmitted signal of the connection 100 ' there are structures which receive the identifiers and determine by surface filtering whether the sensor assigned to the identifier should be addressed, i. H. in this case, the nanosensor 41 'is identified.
  • the measured value requested on the basis of the radio signal is measured by the nanosensor 41 'and then processed in the circuit logic 44' in a uniform data protocol. This is then forwarded to the digital data interface 47 'and sent via the radio-based connection 100' to the
  • Interface 37 of the data processing system 3 wentgege ⁇ ben. From the protocols, the data set conveyed to the digital interface 47 'by the nanosensor 41' and its associated circuit logic 44 'does not differ from the data set previously described by the microsensor 42 and the circuit logic 45 associated therewith the digital interface 47 is transmitted.
  • the records differ ⁇ single Lich in their pure numerical values and are only through the central data processing system 3 with the help of the database 32 assigned and further processed.
  • FIG. For more detailed explanations of the devices 4 or 4 ', reference may be made to the patent application entitled "Device for Detecting
  • FIG. 2 shows the sequence of a data transmission between a device or a sensor and the central data processing system.
  • the central processing installation aufberei ⁇ sends a request 60 to a device or a sensor or selected devices or sensors of various devices, if these are to determine a measured value and transmitted to the central data processing system either. Subsequently, the measured value is measured within the scope of the measurement 61.
  • the analog measured value is translated in a signal conditioning 62 into a standardized uniform digital data protocol which is suitable for all
  • FIG. 3 shows an exemplary data record 70 in the form of an (n + m) bit word.
  • the data record 70 has an n-bit subarea 71 - 73 with an identification 71, by means of which it is possible to deduce from the data record to which sensor this measured value can be assigned or which Measured value is based on the measured value 72.
  • the measured value 72 likewise has a predetermined number of bits here and can be easily converted into the associated measured variable by means of suitable tables.
  • the data record 70 furthermore has a control value 73, which provides information as to whether the sensor or the device for detecting a measured variable of a conductor functions without errors, ie, for example, a checksum may be included.
  • the data record 70 furthermore has a section with supplementary information 74, the supplementary information 74 being added only in the central data processing system.
  • the supplemental information 74 is standardized for m bits long, so that the entire data set 70 comprises a length of (m + n) bits. Suitable values are the common values, ie record lengths of 8, 16, 32, 64 bits.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Hochspannungsanlage (1) mit mindestens einem Leiter (5), mindestens einer Vorrichtung (4; 4'), mit mindestens einem Sensor zum Erfassen einer Messgröße des Leiters (5) und einer Datenaufbereitungsanlage (3). Die Vorrichtung (4; 4') umfasst ein Halbleitersubstrat (40; 40'), wobei der mindestens eine Sensor ein auf dem Halbleitersubstrat angeordneter Nano- oder Mikrosensor (41, 42, 43; 41', 42', 43') ist, dem Sensor eine auf dem Halbleitersubstrat (40; 40') angeordnete Schaltungslogik (44, 45, 46; 44', 45', 46') zugeordnet ist und die mindestens eine Vorrichtung eine digitale Datenschnittstelle (47; 47') aufweist. Die Datenaufbereitungsanlage (3) weist eine Schnittstelle (37) auf, wobei die Schnittstelle mit der mindestens einen Vorrichtung (4; 4') über die Datenschnittstelle (47; 47') zum Informations- und/oder Datentransfer verbindbar ist. Weiterhin ist ein Verfahren zur Datenübertragung mit einer derartigen Hochspannungsanlage skizziert.

Description

Beschreibung
Hochspannungsanlage und Verfahren zur Datenübertragung in einer Hochspannungsanlage
Gegenstand der Erfindung ist eine Hochspannungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Datenübertragung in einer Hochspannungsanlage nach dem Ober- begriff des Anspruchs 7.
Die Überwachung von Hochspannungsanlagen ist von großer Bedeutung für die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Anlage. Bei der Überwachung wird insbesonde- re darauf geachtet, dass sich der Zustand des Leiters einer Hochspannungsanlage bzw. der Zustand eines Schalters inner¬ halb einer Hochspannungsanlage im Rahmen von vorab festge¬ legten Intervallen bewegt. Der Zustand des Leiters wird dabei über Messgrößen wie Spannung, Strom, Temperatur, Druck, Teilentladungen sowie im Falle von Schaltanlagen auch der Position des Schalters mit Hilfe von Sensoren bestimmt.
Heute werden die Sensoren über Kabel an Schnittstellengeräte angeschlossen, bevor eine weitere Schnittstelle die Daten über das Feldschutz- und Feldleitgerät aufbereitet. Die unterschiedlichen Schnittstellen bringen eine hohe Komplexität und sind aufwendig zu installieren und zu warten. Der Installationsaufwand, die Prüf- und Parametrisierungsarbeiten und Kosten sind erheblich, und die Fehleranfälligkeit derar- tiger Sensoren ist groß. Nach CIGRE-Untersuchungen liegen die Ursachen für Fehler in Schaltanlagen zumeist in der Sekundärtechnik . Beispielsweise wird im Stand der Technik ein 100-Volt- Normsignalwert vom Spannungswandler über eine elektronische Umwandlungsschnittstelle in das Schutz- und Leitsystem einge¬ speist. Bei einem Stromwandler werden dabei Normsignalwerte von 1 oder 5 Ampere eingespeist. Die unterschiedlichen Ankopplungen machen die Handhabung komplex und haben dennoch nur eingeschränkte Aussagekraft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochspan- nungsanlage zu schaffen, welche eine geeignete Ankopplung von Sensoren für Strom, Temperatur, Druck, Position und Teilentladungen schafft. Die Aufgabe wird gelöst mit einer Hochspannungsanlage, welche die Merkmale des Anspruchs 1 auf¬ weist. Vorteilhafte Weiterführungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen dargelegt.
Dadurch, dass die Vorrichtung zum Erfassen einer Messgröße des Leiters ein Halbleitersubstrat umfasst, wobei der mindes¬ tens eine Sensor ein auf dem Halbleitersubstrat angeordneter Nano- und Mikrosensor ist, kann die Vorrichtung sehr klein und hochintegriert ausgebildet werden. Dadurch, dass dem Sensor eine auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Schal¬ tungslogik zugeordnet ist, wird die Integration weiter erhöht. Schaltungslogiken haben dabei den Vorteil, dass sie heutzutage leicht anpassbar und technisch zuverlässig aus¬ bildbar sind. Mittels einer dergestalt ausgebildeten Vorrichtung lässt sich bereits eine hohe Integration von Sensorik und Signalaufbereitung durchführen. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine digitale Datenschnittstelle auf, welche ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Die Datenaufbereitungsanlage weist ebenfalls eine Schnitt¬ stelle auf, wobei die Schnittstelle mit der mindestens einen Vorrichtung über die Datenschnittstelle zum Informations- und/oder Datentransfer verbindbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage empfängt eine Datenaufbereitungs¬ anlage die Daten direkt von der Vorrichtung ohne dazwischen- geschaltete sogenannte "merging units" oder Umwandlungs- schnittsteilen. Das an der digitalen Datenschnittstelle der Vorrichtung ankommende Signal des Sensors ist bereits digital und kann somit auf wesentlich einfachere Weise direkt der Datenaufbereitungsanlage zur Verfügung gestellt werden.
In einer Variante der Hochspannungsanlage ist die Datenaufbe¬ reitungsanlage mit dem mindestens einen Sensor der mindestens einen Vorrichtung verbunden. Auf diese Weise ist eine direkte Kommunikation zwischen der Datenaufbereitungsanlage und dem Sensor, welcher auf der Vorrichtung angeordnet ist, möglich. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kommunikati¬ on zwischen der Datenaufbereitungsanlage und dem mindestens einen Sensor zumindest streckenweise über Funk geschieht. Die Vorteilhaftigkeit ist zum einen in der Einsparung der Kabel und der damit verbundenen Verminderung der Komplexität in einem Schaltschrank als zum anderen auch in den damit verbundenen Kosteneinsparungen zu finden. Bei einer Funkverbindung muss lediglich die Störsicherheit des Funkkanals gewährleis¬ tet werden sowie eine Vorrichtung zur Identifizierung des einzelnen Sensors implementiert sein.
In einer speziellen Variante wird die funkbasierte Kommunika¬ tion zwischen der Datenaufbereitungsanlage und dem mindestens einen Sensor über einen Richtfunkkanal gelöst. Dabei kann das Funksignal im Gigahertzbereich übertragen werden. Hierdurch lassen sich relativ große Reichweiten zwischen der Datenaufbereitungsanlage und dem Sensor bzw. der Vorrichtung erreichen. Besonders vorzugsweise wird im Terahertzbereich gearbeitet. Im Terahertzbereich breiten sich Funkwellen wesentlich gebündelter aus und werden von der Atmosphäre stark gedämpft, so dass schon wenige Meter neben dem Funkka¬ nal keine ausreichende Empfangsstärke vorhanden ist. Ein Richtfunk im Terahertzbereich wäre somit eine "Kabelstrecke ohne Kabel". Die Leistung und Richtung einer Terahertz- Richtfunkübertragung in einer Hochspannungsanlage können so ausgelegt werden, dass nur die zugewiesenen Sensoren erreicht werden .
In einer weiteren Variante sind die Schnittstelle und die Datenschnittstelle der mindestens einen Vorrichtung über eine Prozessbusstruktur verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Prozessbustechnik eine sichere Datenkommunikation gewährleistet und die für Hochspannungsanlagen wichtige Redundanz aufweisen kann. Zudem ist im Bereich der Hochspannungs- Schaltanlagen bereits Erfahrung mit Prozessbussen vorhanden.
In einer weiteren Variante ist die Schaltungslogik derart gestaltet, dass sie einen Identifizierer und/oder einen Signalaufbereiter und/oder einen Digitalisierer umfasst. Dabei können zum Aufbringen der Schaltungslogik auf das
Halbleitersubstrat beispielsweise TTL-Bausteine eingesetzt werden. Durch den Identifizierer ist es möglich, einen einzelnen Sensor, beispielsweise bei Vorhandensein mehrerer Vorrichtungen bzw. mehrerer Sensoren auf einer Vorrichtung, direkt anzusprechen und bestimmte Daten anzufordern bzw. abzufragen. Dabei kann die Abfrage leitungsgebunden oder über Funksignale geschehen. So wird es möglich, einzelne Sensoren gezielt anzusprechen, ohne dass ständig ein Datenfluss zwi¬ schen der Datenaufbereitungsanlage und einem einzelnen Sensor gegeben sein muss. Lediglich zu bestimmten Zeitpunkten wird eine Information angefordert, was die anfallende Datenmenge in der Datenaufbereitungsanlage auf ein notwendiges Maß reduziert. Dadurch wird die Handhabung des gesamten Schalt¬ feldes einfacher und zielführender. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn man die Hochspannungsanlage bzw. Hochspannungsschaltanlage bzw. gasisolierte Hochspannungs¬ schaltanlage in ihrer Gesamtheit mit Schaltanlage, Schaltfeld, Umspannwerk und sämtlichen darin befindlichen Vorrichtungen und Sensoren betrachtet.
Ein Identifizierer kann dabei über Oberflächenwellenfilter realisiert werden. Dabei wird der Sensor über einen Kammfilter identifiziert, wenn ein Funksignal diesen erreicht, und die Reflexion des Funksignals ausgewertet. Mit Hilfe des reflektierten Funksignals wird eine präzise Sensorzuordnung eindeutig erreicht, und die übertragenen Datensignale können eindeutig zugeordnet werden.
Mit Hilfe des Signalaufbereiters und/oder des Digitalisierers lässt sich eine einheitliche Datenstruktur und somit die Grundlage für eine standardisierte Datenübertragung schaffen, was zu einer Vereinfachung des Sekundärsystems führt und die Fehlerwahrscheinlichkeit verringert. Dabei werden die von den Sensoren ermittelten Messwerte verschiedenster Messgrößen, wie beispielsweise Strom, Spannung, Temperatur, Druck, Position eines Schalters oder Teilentladungen, welche zunächst nur analog vorliegen, aufbereitet und vorteilhafterweise mittels eines einheitlichen Datenprotokolls in ein standardi- siertes, für alle Messgrößen einheitliches Datensatzformat umgewandelt. Dabei ist der mittels des Digitalisierers digi¬ talisierte Datensatz für alle Messwerte gleich strukturiert, was die Auswertung in der Datenaufbereitungsanlage verein¬ facht. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, alle Messdaten z. B. in einem Schaltfeld zentral über die Datenaufberei¬ tungsanlage zu erfassen und in einen Prozessbus einzuspielen. Hierbei kann auf ein Höchstmaß an Standardbausteinen zurückgegriffen werden. In einer weiteren Variante sind mindestens zwei Vorrichtungen vorhanden, wobei die Schnittstelle der Datenaufbereitungsanlage mit der Datenschnittstelle einer jeden der mindestens zwei Vorrichtungen verbunden ist. Die anhand der vorab ge- nannten Varianten realisierten Datenübertragungen und Datenstrukturen lassen sich in einem System mit einer Vielzahl von Vorrichtungen bzw. Sensoren am effizientesten nutzen. Hierbei kann beispielsweise auf ein einheitliches Datenprotokoll wie z. B. das IEC 61850 zurückgegriffen werden, welches im Be- reich von Hochspannungsanlagen bereits eingesetzt wird.
Die unterschiedlichen vorab genannten Varianten können beliebig miteinander kombiniert werden. Ihnen gemein ist, dass die Anwendung von nano- oder mikrotechnologischen Sensoren mit integrierter Messdatenaufbereitung die Möglichkeit herstellt, über ein Standardprotokoll zum Datenaustausch direkt mit der Zentraleinheit der Hochspannungsschaltanlage zu kommunizie¬ ren. Da diese Datenaufbereitung bereits in Teilen auf dem Sensor erfolgt, kann auf eine zwischengelagerte Datenaufbe- reitung verzichtet werden. Diese eingesparte Ebene der
Datenbehandlung vereinfacht das Anfahren von Hochspannungs¬ schaltanlagen und bietet vor allem ein hohes Maß an Datenbearbeitungsstandardisierung in einer Hochspannungsanlage. Bei einer einzigen standardisierten Datenschnittstelle der einzelnen Vorrichtungen bietet vor allem die vereinfachte Datenaufbereitung durch reduzierte Varianz von Möglichkeiten und damit einer Reduzierung der Fehlerwahrscheinlichkeit einen Vorteil. Die Verwendung einer einzigen zentralen Datenaufbereitungsanlage in einer Hochspannungsanlage reduziert auch die Datenvarianz innerhalb der Hochspannungsanlage und die damit verbundenen Fehlerquellen.
Die Standarddatenstrukturen auf Sensorebene und die zentrale Datenaufbereitungsanlage auf Hochspannungsfeldebene vereinfa- chen die Datenbehandlung auf der Hochspannungsschaltanlagen- Ebene und tragen dazu bei, eine höhere Zuverlässigkeit der Hochspannungsanlage im Betrieb zu erreichen. Infolgedessen werden die verwendeten Geräte sowohl einfacher in der Hard- wäre als auch in der Software, was wiederum zu einer Vereinfachung der Technik und zu einer preiswerteren Ausführung der Hochspannungsanlagen führt.
Die Hochspannungsanlage ist insbesondere für ein Verfahren zur Datenübertragung geeignet, bei welchem ein Messwert einer Messgröße mit dem mindestens einen Sensor der mindestens einen Vorrichtung gemessen wird. Weiterhin wird der Messwert innerhalb der Schaltungslogik zu einem Datensatz aufbereitet, wodurch die Umwandlung unterschiedlichster Messgrößen in ein Protokoll oder wenige Protokolle möglich wird, was die weite¬ re Datenverarbeitung vereinfacht. Der Datensatz wird anschließend an die digitale Datenschnittstelle übergeben und an die Schnittstelle der Datenaufbereitungsanlage transfe¬ riert, wodurch der Messwert der zentralen Datenaufbereitung zur Verfügung steht.
In einer Variante des Verfahrens wird dem mindestens einen Sensor der mindestens einen Vorrichtung eine Aufforderung übermittelt, eine Messung durchzuführen. Dies hat den Vor- teil, dass die Messungen nicht ständig, sondern lediglich bei Bedarf durchgeführt werden müssen, was - wie zuvor bereits erwähnt - die Größe des Datenvolumens, welches an der Daten¬ aufbereitungsanlage anfällt, deutlich reduziert, ohne Einbußen bei der Aussagekraft der Daten hinnehmen zu müssen. Dabei kann die Aufforderung per Funk oder über Kabel vorgenommen werden.
In einer weiteren Variante wird die Messung unabhängig von der Messgröße bei der Signalaufbereitung in einem einheitli- chen Datenprotokoll aufbereitet. Dies hat zur Folge, dass an der digitalen Schnittstelle lediglich ein Datensatzformat zu bearbeiten ist, was die Komplexität der Schaltanlage deutlich reduziert .
In einer weiteren Variante wird nach dem Transfer des Datensatzes an die Datenaufbereitungsanlage der Datensatz mit weiteren Daten ergänzt und anschließend beispielsweise an das Schutz- und Leitsystem weitergegeben. Die weiteren Daten, z. B. Zeit oder besondere Vorkommnisse betreffend, können dabei mittels eines Standardverfahrens an den Datensatz angehängt werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Ausführungs- beispiele genauer erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hochspannungs¬ schaltanlage;
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Datenübertragung in einer Hochspannungsschaltanlage;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Datensatzes.
Die Fig. 1 zeigt eine Hochspannungsschaltanlage 1, welche ein Schutz- und Leitsystem 2, eine Datenaufbereitungsanlage 3 sowie zwei Vorrichtungen 4, 4' zum Erfassen einer Messgröße eines Leiters 5 sowie den Leiter 5 selbst umfasst. Der Leiter 5 ist dabei vorzugsweise ein gasisolierter Leiter mit einem an dieser Stelle nicht eingezeichneten Gehäuse.
Das Schutz- und Leitsystem 2 entspricht einem gängigen Schutz- und Leitsystem, wie es in heutigen Hochspannungsschaltanlagen verwendet wird. Über eine Verbindung 200, welche kabelbasiert ist, ist das Schutz- und Leitsystem 2 mit der Datenaufbereitungsanlage 3 verbunden. Die Datenaufberei¬ tungsanlage 3 umfasst eine Steuereinheit 31 zum Koordinieren der unterschiedlichen Aktivitäten der Datenaufbereitungsanlage (z. B. eine oder mehrere CPUs oder Relais), eine Datenbank 32 mit den durch die Datenaufbereitungsanlage 3 erfassten Sensoren bzw. Vorrichtungen sowie deren Kennungen und eine Vielzahl von zusätzlichen Ergänzungsinformationen 33, welche aus anderen Bereichen als der Datenbank oder den an die Datenaufbereitungsanlage 3 angeschlossenen Vorrichtungen 4, 4' herrühren. Die Datenaufbereitungsanlage 3 weist zudem eine Schnittstelle 37 auf, welche mit den Vorrichtungen 4, 4' über eine Prozessbusstruktur in Verbindung steht und von den Vorrichtungen 4, 4' Informationen bzw. Daten empfängt bzw. an diese sendet.
Die Vorrichtungen 4, 4' sind zum Erfassen von Messgrößen des Leiters 5 ausgebildet. Dabei weist die Vorrichtung 4 drei Mikrosensoren 41, 42, 43 auf, wobei der Mikrosensor 41 eine am Leiter 5 anliegende Spannung, der Mikrosensor 42 eine am Leiter 5 anliegende Stromstärke und der Mikrosensor 43 eine Temperatur im Bereich des Leiters 5 misst. Jedem der drei Mikrosensoren ist eine eigene Schaltungslogik 44, 45, 46 zugeordnet, wobei auf die Schaltungslogik noch genauer einge¬ gangen wird. Die Vorrichtung 4 weist zusätzlich eine digitale Datenschnittstelle 47 auf, welche zur Kommunikation und zum Informations- und/oder Datentransfer mit der Datenaufberei¬ tungsanlage 3 bzw. deren Schnittstelle 37 ausgelegt ist. Die Mikrosensoren 41, 42, 43 sowie die Schaltungslogiken 44, 45, 46 und die Schnittstelle 47 sind auf einem gemeinsamen HaIb- leitersubstrat 40 angeordnet.
Exemplarisch für den grundsätzlichen Aufbau einer der Schaltungslogiken sei die Schaltungslogik 45 genauer erläutert. Diese weist einen Identifizierer 450, einen Signalaufbereiter 451 sowie einen Digitalisierer 452 auf. Dem Identifizierer liegt die Aufgabe zugrunde, den ihm zugeordneten Sensor 42 eindeutig zu identifizieren. Das heißt, bei einer Aufforde¬ rung der Datenaufbereitungsanlage 3 an den Mikrosensor 42, eine Messung durchzuführen, wird der Sensor eindeutig über den Identifizierer 450 identifiziert. Derart angesprochen, führt der Mikrosensor 42 eine Messung durch und misst die am Leiter 5 anliegende Stromstärke. Dieses für sich genommen analoge Signal wird im Signalaufbereiter 451 in eine einheit- liehe Form aufbereitet. Das heißt, der analoge Messwert wird anhand in der Schaltungslogik eingebetteter Komponenten und mit Hilfe des Digitalisierers 452 in ein n-Bit-Wort gewan¬ delt, wobei die Protokollstrukturen des n-Bit-Wortes einheitlich sind. Dies bedeutet, dass der Datensatz in Form des n-Bit-Wortes unabhängig von der gemessenen Messgröße dieselbe Struktur aufweist, so dass die durch den Mikrosensor 42 aufgenommene Messgröße und der daraus gewonnene Messwert in derselben Form an der digitalen Datenschnittstelle 47 vorliegt wie beispielsweise ein durch den Mikrosensor 41 aufgenommener Spannungswert.
Der mit Hilfe des Mikrosensors 42 gewonnene Datensatz wird über die digitale Datenschnittstelle über eine kabelbasierte Verbindung 100 an die Schnittstelle 37 der Datenaufberei- tungsanlage 3 übergeben. Hier wird der Datensatz in der
Steuereinheit 31 kontrolliert und mit der Datenbank 32 abge¬ glichen und gegebenenfalls mit zusätzlichen Informationen 33 zu einem (n+m) -Bit-Wort ergänzt, welches anschließend an das Schutz- und Leitsystem 2 übergeben wird. Des Weiteren können in dem m-Bit-Bereich des Wortes zusätzliche Informationen wie Zeit oder Zeit seit der letzten Messung beinhaltet sein.
Die Vorrichtung 4' weist ebenfalls ein Halbleitersubstrat 40' auf, wobei ihre Sensoren die Nanosensoren 41', 42', 43' sind. Den einzelnen Nanosensoren ist dabei eine eigene Schaltungs¬ logik 44', 45', 46' zugeordnet, welche die von den Nanosen¬ soren empfangenen Messwerte identifiziert, aufbereitet und digitalisiert. Die aufbereiteten Messdaten werden in jeweils einem Datensatz zusammengefasst und an die digitale Daten¬ schnittstelle 47' übergeben.
Die Verbindung 100' zwischen der digitalen Datenschnittstelle 47' und der Schnittstelle 37 ist hierbei funkbasiert. Dies sei exemplarisch am Nanosensor 41' und der ihm zugeordneten
Schaltungslogik 44' erläutert. Auf Aufforderung der Datenaufbereitungsanlage 3 hin wird ein Richtfunksignal im niedrigen Terahert zbereich an die Vorrichtung 4' gesendet. Dabei empfängt die digitale Datenschnittstelle 47' das Signal und leitet es an die Schaltungslogiken 44', 45' und 46' weiter. In dem gesendeten Signal der Verbindung 100' sind Strukturen vorhanden, welche die Identifizierer empfangen und mittels Oberflächenfilterung bestimmen, ob der dem Identifizierer zugewiesene Sensor angesprochen werden soll, d. h. in diesem Falle wird der Nanosensor 41' identifiziert. Der aufgrund des Funksignals angeforderte Messwert wird durch den Nanosensor 41' gemessen und anschließend in der Schaltungslogik 44' in einem einheitlichen Datenprotokoll aufbereitet. Dies wird anschließend an die digitale Datenschnittstelle 47' weiterge- leitet und über die funkbasierte Verbindung 100' an die
Schnittstelle 37 der Datenaufbereitungsanlage 3 weitergege¬ ben. Von den Protokollen her unterscheidet sich der Datensatz, welcher durch den Nanosensor 41' und die ihm zugeordnete Schaltungslogik 44' an die digitale Schnittstelle 47 ' übermittelt wird, nicht von dem zuvor beschriebenen Datensatz, welcher durch den Mikrosensor 42 und die ihm zugeordnete Schaltungslogik 45 an die digitale Schnittstelle 47 übermittelt wird. Die Datensätze unterscheiden sich ledig¬ lich in ihren reinen Zahlenwerten und werden erst durch die zentrale Datenaufbereitungsanlage 3 mit Hilfe der Datenbank 32 zugeordnet und weiterverarbeitet. Als Beispiel für eine Datensatzstruktur sei auf Fig. 3 verwiesen. Für genauere Ausführungen der Vorrichtungen 4 bzw. 4' sei auf die Patent- anmeldung mit dem Titel „Vorrichtung zum Erfassen von
Messgrößen und Hochspannungsanlage" der Siemens AG, internes Anmelderaktenzeichen 2007 P 26189 DE, eingereicht beim Deutschen Patent- und Markenamt am selben Tag, verwiesen.
In der Fig. 2 ist der Ablauf einer Datenübertragung zwischen einer Vorrichtung bzw. einem Sensor und der zentralen Datenaufbereitungsanlage ausgeführt. Die zentrale Datenaufberei¬ tungsanlage übersendet eine Anforderung 60 entweder an eine Vorrichtung oder einen Sensor bzw. ausgewählte Vorrichtungen oder Sensoren verschiedener Vorrichtungen, wenn diese einen Messwert ermitteln und an die zentrale Datenaufbereitungsanlage übertragen sollen. Anschließend wird der Messwert im Rahmen der Messung 61 gemessen. Der analoge Messwert wird in einer Signalaufbereitung 62 in ein standardisiertes einheit- liches digitales Datenprotokoll übersetzt, welches für alle
Sensoren und alle Vorrichtungen identisch ist. Letzteres kann auch im zusätzlichen, jedoch nicht zwingend notwendigen Schritt der Vereinheitlichung 63 geschehen. Anschließend wird der Datensatz in einem Transfer 64 an die zentrale Datenauf- bereitungsanlage übermittelt. Danach können innerhalb der zentralen Datenaufbereitungsanlage noch im Rahmen einer Ergänzung 65 weitere Informationen zum Datensatz hinzugefügt werden .
In der Fig. 3 ist ein beispielhafter Datensatz 70 in Form eines (n+m) -Bit-Wortes gezeigt. Dabei weist der Datensatz 70 einen n-Bit-Teilbereich 71 - 73 mit einer Identifikation 71 auf, anhand welcher dem Datensatz entnehmbar ist, welchem Sensor dieser Messwert zugeordnet werden kann bzw. welche Messgröße dem Messwert 72 zugrunde liegt. Der Messwert 72 weist hier ebenfalls eine vorgegebene Anzahl von Bits auf und kann anhand geeigneter Tabellen problemlos in die zugehörige Messgröße umgerechnet werden. Der Datensatz 70 weist weiter- hin einen Kontrollwert 73 auf, welcher Auskunft darüber erteilt, ob der Sensor bzw. die Vorrichtung zum Erfassen einer Messgröße eines Leiters fehlerfrei funktioniert, d. h. es kann beispielsweise eine Prüfsumme beinhaltet sein. Der Datensatz 70 weist des Weiteren einen Abschnitt mit ergänzen- der Information 74 auf, wobei die ergänzende Information 74 erst in der zentralen Datenaufbereitungsanlage hinzugefügt wird. Die ergänzende Information 74 ist standardisiert m Bits lang, so dass der gesamte Datensatz 70 eine Länge von (m + n) Bits umfasst. Geeignete Werte sind die gängigen Werte, d. h. Datensatzlängen von 8, 16, 32, 64 Bits.
Bezugszeichenliste :
1 Hochspannungsanlage 2 Schutz- und Leitsystem
3 Datenaufbereitungsanlage
4,4' Vorrichtung
5 Leiter
31 Steuereinheit 32 Datenbank
33 Ergänzungsinformation
37 Schnittstelle
40,40' Halbleitersubstrat
41,42,43 Mikrosensor 41', 42', 43' Nanosensor
44, 45, 46, 44', 45', 46' Schaltungslogik
47,47' digitale Datenschnittstelle
60 Anforderung
61 Messung 62 Signalaufbereitung
63 Vereinheitlichung
64 Transfer
65 Ergänzung 70 Datensatz 71 Identifikation
72 Messwert
73 Kontrollwert
74 ergänzende Information 100,100' Verbindung 200 Verbindung
450 Identifizierer
451 Signalaufbereiter
452 Digitalisierer

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungsanlage (1) mit mindestens einem Leiter (5), mindestens einer Vorrichtung (4; 4') mit mindestens einem Sensor zum Erfassen einer Messgröße des Leiters (5) und einer Datenaufbereitungsanlage (3) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die mindestens eine Vorrichtung (4; 4') ein Halbleitersubstrat (40; 40') umfasst, wobei der mindestens eine Sensor ein auf dem Halbleitersubstrat angeordneter Nano- oder Mikro- sensor (41, 42, 43; 41' , 42' , 43' ) ist, dem Sensor eine auf dem Halbleitersubstrat (40; 40') angeordnete Schaltungslogik (44 , 45, 46; 44 ' , 45' , 46' ) zugeordnet ist und die mindestens eine Vorrichtung eine Datenschnittstelle (47; 47') aufweist und dass die Datenaufbereitungsanlage (3) eine Schnittstelle (37) aufweist, wobei die Schnittstelle (37) mit der mindes¬ tens einen Vorrichtung (4; 4') über die Datenschnittstelle (47; 47') zum Informations- und/oder Datentransfer verbindbar ist .
2. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die die Datenaufbereitungsanlage (3) mit dem mindestens einen Sensor der mindestens einen Vorrichtung (4; 4') verbun- den ist.
3. Hochspannungsanlage nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Datenaufbereitungsanlage (3) mit dem mindestens einen Sensor über die Datenschnittstelle (47; 47') der mindestens einen Vorrichtung (4; 4') per Funk , vorzugsweise per Richtfunk, verbunden ist.
4. Hochspannungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schnittstelle (37) und die Datenschnittstelle (47; 47') der mindestens einen Vorrichtung (4; 4') über eine Prozessbusstruktur verbunden sind.
5. Hochspannungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schaltungslogik (44, 45, 46; 44', 45', 46') einen Identifizierer (450) und/oder ein Signalaufbereiter (451) und/oder einen Digitalisierer (452) umfasst.
6. Hochspannungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens zwei Vorrichtungen (4; 4') vorhanden sind und die Schnittstelle (37) der Datenaufbereitungsanlage (3) mit der Datenschnittstelle (47; 47') einer jeden der mindestens zwei Vorrichtungen (4; 4') verbunden ist.
7. Verfahren zur Datenübertragung in einer Hochspannungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches folgende Schritte umfasst:
a) Messung (61) eines Messwerts einer Messgröße mit dem mindestens einen Sensor der mindestens einen Vorrich- tung (4; 4');
b) Signalaufbereitung (62) des Messwerts in der Schaltungslogik (44, 45, 46; 44', 45', 46') zu einem Datensatz (70) ;
c) Übergabe des Datensatzes (70) an die Datenschnitt- stelle (47; 47') und Transfer (64) an die
Schnittstelle (37) der Datenaufbereitungsanlage (3) .
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Datenaufbereitungsanlage (3) den mindestens einen Sensor der mindestens einen Vorrichtung (4; 4') eine Aufforderung (60), eine Messung (61) durchzuführen, übermittelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messung unabhängig von der Messgröße bei der Signal¬ aufbereitung (62) in einem einheitlichen Datenprotokoll aufbereitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Datensatz (70) in der Datenaufbereitungsanlage (3) mit weiteren Daten (74) ergänzt wird.
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