WO2017144165A1 - Anordnung zur messung der elektrischen eigenschaften am anschlusspunkt eines elektrischen energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen erzeugern, verbrauchern oder teilnetzen - Google Patents

Anordnung zur messung der elektrischen eigenschaften am anschlusspunkt eines elektrischen energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen erzeugern, verbrauchern oder teilnetzen Download PDF

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WO2017144165A1
WO2017144165A1 PCT/EP2017/000235 EP2017000235W WO2017144165A1 WO 2017144165 A1 WO2017144165 A1 WO 2017144165A1 EP 2017000235 W EP2017000235 W EP 2017000235W WO 2017144165 A1 WO2017144165 A1 WO 2017144165A1
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measurement
fourier transformation
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Gerd Bumiller
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Gerd Bumiller
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2513—Arrangements for monitoring electric power systems, e.g. power lines or loads; Logging

Definitions

  • the committee SC 205A of the CENELEC has set up a task force EMI which collects the effects, checks existing standards for applicability and
  • Frequency range 2- 150 kHz is not sufficient for determining the necessary measured quantities, nor for the protection of mutual interference. Outside Europe, due to the different EMC regulations in the individual regions, this frequency range is extended up to 500 kHz. Through the use of new technologies in the power supply units and power recovery in the power grid to increase the efficiency of the equipment, will be a significant
  • the quality of the power network is today usually only up to 2 kHz according to the standards evaluated. Above this frequency, currents and voltages can be measured and evaluated separately with standard measuring instruments such as oscilloscopes and spectrum analyzers become. Spectrum analyzers provide only a power density spectrum, whereby the respective phase information of the spectrum is lost, which is why no phase information can be used to calculate the power and impedances. On the basis of the recorded signals of oscilloscopes, a fast Fourier transformation application can be used to generate a spectrum with phase information. Since the recorded signals are generally not periodic with the length of the
  • Evaluation window creates a leakage effect, whereby signal components are measured at frequencies on which they are not present in the original signal. Due to the high dynamic differences of the signals, relevant information is destroyed. Using windows (such as Hanning, Kaiser windows) can reduce this effect. The use of the window means that the signal components are no longer real. That For the same pulse at the input, different powers are evaluated depending on the position in the evaluation window and can therefore not be used for a real evaluation of the services. Furthermore, individual measuring methods require a mains frequency of 50 Hz, which is usually the case, but which can then no longer be used correctly in critical network conditions with mains frequencies of ⁇ 48.5 Hz or produce large measurement errors. Thus, there are individual measurement questions for individual questions, but these are usually not suitable for all situations or questions are sufficient.
  • Time domain signals and spectrograms can represent these, but not stochastically evaluate. Such evaluations are then partially performed offline assuming a fixed network frequency.
  • the object is achieved by a system for measuring electrical properties of producers, consumers or subnetworks at a connection point of an electrical energy supply network, wherein the producer, consumer or the subnetwork is connected to the connection point of the electrical energy supply network, comprising:
  • an independent clock source for generating a clock for the scan for all acquired channels, the clock for the scan being independent of the characteristics to be measured,
  • a sample conversion device wherein in operation a channel serves as a reference and the sample rate conversion is adapted to the frequency and phase of the fundamental of the reference channel, thereby providing a constant number of samples per fundamental;
  • the object is further achieved by a method for measuring the electrical properties at the connection point of an electrical power supply network, by connected producers, consumers or subnetworks, characterized by the following steps:
  • Fig. 3 shows schematically a laboratory measurement setup to one to the power grid
  • Fig. 6 schematically illustrates the power frequency and phase position control.
  • a connection is the point at which a device or any object
  • Figure 1 shows a gateway of a 3-phase system with the phases L1, L2, L3 and the neutral conductor N. Single-phase systems with L and N or even systems without neutral can be derived therefrom as a special case.
  • a one of several possible representations is given, which can usually be converted into each other. Since that
  • Each phase is referenced independently of the others to neutral or the virtual neutral point of a system without a neutral conductor.
  • the characteristics of the phase are characterized by either an ideal voltage source and an internal resistance connected in series, or a current source with parallel-connected impedance.
  • a purely passive system can be considered a special case with a
  • Power source of 0 A can be considered. All of these elements can take different values for different frequencies. In principle, these values also depend on the time. Usually, however, a zykiostationäres behavior is assumed and thus determined the values for the individual phase angles. The remaining uncertainties can be mapped with parameters of stochastics. The task of the measuring system is therefore to determine these replacement models completely at a connection to the network as well as for an object to be connected in the laboratory. The behavior on a port can then be predicted. If the cabling is described in sufficient detail, network models and the mutual influence of connected objects can also be calculated. In addition, all previously customary measured variables should continue to be determined.
  • Figure 2 shows a typical structure for such a measuring system.
  • the measurement object is placed on the right side. This can be an object to be connected or also the power network to be measured at the connection point.
  • the 3 phases L1, L2, L3 and the neutral conductor are led through the measuring system.
  • the currents of the individual phases and of the neutral conductor are converted into a measuring signal with the aid of current measuring transducers (eg current measuring clamp, inductive measuring transducer, shunt, etc.) and one
  • current measuring transducers eg current measuring clamp, inductive measuring transducer, shunt, etc.
  • Measured value acquisition supplied Synchronized via a common clock
  • Measuring channels convert the measuring signals into digitized measured values. A correction of the properties of the transducer can already be made here. If a shunt is used as a current transformer, attention must be paid to galvanic isolation of the measuring channels become. This is often feasible without loss of accuracy at a digital interface and can lead to separate data acquisition units, possibly even with parts of the signal processing for data reduction.
  • the voltages of the individual phases with respect to the neutral conductor are detected by voltage transducers and fed as measuring signals to the measuring channels of the measured value acquisition. In some cases, the voltages can be fed directly to the measuring channels without a transducer. Since the influence of the voltage measurement on the current measurement is vmachiittelbar a voltage-correct measurement method is selected. With simultaneous measurement of different connection points in the network, a time synchronization of the measuring systems makes sense. For this purpose, among other things, a PPS signals (pulse per second) of an external
  • Time synchronization unit can be detected and evaluated on another measurement channel.
  • Both the measuring transducers and the corresponding measured value acquisition devices with the possibility of passing on the digitized measured values to the computing system in the corresponding temporal resolution can be obtained from the market [4j.
  • a completely integrated measuring system for decentralized generators and high-performance consumers as well as an integration into high-quality electricity meters are conceivable.
  • the core of the invention is the combination of the measured value evaluation of the individual channels, network frequency control, as well as the evaluation of combined signals and their evaluation. The results are provided for viewing and saving.
  • FIG. 3 shows the measurement setup in the laboratory in order to characterize an object to be connected to the power grid, called a test object.
  • the candidate can be both a consumer and a producer.
  • An object can simultaneously be a consumer on one frequency and a producer on other frequencies.
  • the test object is connected as a measuring object to the measuring system, which provides the results of the examination for display and storage.
  • the power grid supplies the supply voltages, or serves as a load sink for a generator at the mains frequency.
  • the task of the network filter is to keep disturbances from the power network away from the measuring system.
  • the output impedance of the line filter is to be formed as high as possible for higher frequencies.
  • the measurement is carried out on a network impedance simulation network (LISN) specified in the standards.
  • LISN network impedance simulation network
  • the measuring system Normal connected and thus the measuring system adjusted or determines the correction terms for the subsequent measurement.
  • the measuring system is connected directly to the high-impedance line filter.
  • a short-circuit module with mains frequency blockers is connected at the location of the LISN. Ideal would be a real short circuit, but because of the resulting currents is not feasible.
  • the power frequency blocker have the task of blocking the fundamental to 50 Hz or 60 Hz and to allow only a limited current, but to be as conductive as possible for all other frequencies.
  • a simple implementation of a power frequency blocker can be done with a capacity, but also higher order solutions with higher order filters are possible.
  • test signals are fed in front of the measuring system on the individual phases in order to record the reaction of the test object to the signals with the measuring system.
  • a test signal e.g. a noise can be used which contains all frequencies or chirp signals, which successively monofrequente on all frequencies
  • FIG. 4 shows the measurement setup to characterize a connection point on the power grid. Also in this case, an adjustment of the measuring system and calculation of
  • Correction values are based on normals. In this case, parasitic effects of the supply lines to the connection point can already be eliminated.
  • the measuring object is the power grid to which the measuring system is connected. Again, several measurements are necessary again. For one thing, the open end is measured to the
  • a concrete test object can then be connected to the measuring system, which in turn depends on a specific network access point. It should then be taken into account that the current transformers have an influence on the impedance of the power network that is visible from the test object.
  • the current transformers can also be a pure
  • the sampling clock is derived from a single clock source with high quality.
  • the sampling frequency is fixed and is not adapted to the mains frequency. If the individual measuring channels are integrated in a measured value evaluation (for example, [4]), this is automatically given. Otherwise, it is customary in measuring technology to supply measuring devices with an external reference clock.
  • a relatively high sampling frequency compared to the measuring range is selected in order to minimize the influence of the measuring signal by anti-alias filters, which are always necessary before sampling in order to obtain the electromagnetic compatibility (EMC). It must also be ensured that the EMC.
  • FIG. 5 shows the measurement evaluation of the individual channels.
  • the results of the individual channels are subsequently evaluated individually and combined and further processed.
  • all current and voltage channels are treated equally here, with one channel, usually voltage of phase L1, as a reference for the line frequency and
  • Phase control is used and the manipulated variable from this controller the
  • the measuring system must therefore be able to cover a very high dynamic range between individual frequencies in one measurement.
  • DFT discrete Fourier transformation
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • Rate of change of the frequency of several Hz per second designed.
  • a regulation of the sampling rates in the measured value acquisition (as known from US 201 1/0080197 A1) is usually not advantageous since this process can influence the measurement accuracy and design of the analog components.
  • An adjustment of the number of samples per evaluation period would lead to significant performance losses of the algorithms (DFT instead of FFT) and to a dynamic change in the number of frequency points.
  • flutter effects would be caused by the temporal quantization, which are not advantageous and complicate an accurate grid frequency analysis. Nevertheless, a large part of the further work steps would also be applicable to this.
  • sample rate conversion is used, in which the rate ratio can be very finely quantized and dynamically adjusted.
  • sample rate conversion new aliasing effects can arise, which is why a suitable filter should always be used before the sample rate conversion according to the prior art.
  • One possible implementation of sample rate conversion is an interpolator capable of new between 2 existing samples
  • Sample rate reduction by a fixed factor may be accomplished in one or more steps by low pass filtering and subsampling.
  • the filters In addition to suppressing the image frequencies, the filters must also be designed so that the measuring range is not unduly influenced.
  • Standard measuring equipment can not be determined in the same quality and therefore further temporal inaccuracies in the recording are added. In the method used here, a measurement with higher quality can be realized for this purpose.
  • the signals can also be monitored for compliance with parameters and events can be generated which trigger data storage or alarms.
  • evaluation windows for the FFT are arranged without gaps, an overlap results for the respective sampled values considered. For each sample, it is ensured that the sum of the shares, which are distributed by weighting on different evaluation windows of the FFT, again exactly 100%. Thus, for any signal, it is ensured that all parts are 100% covered by the measurement and in the
  • the results of the wavelet analysis are thus available as a complex numerical value per frequency point for DC, fundamental and harmonic of further processing.
  • this result is identical to a Fourier transform.
  • Power and impedance can be determined for each frequency point and phase (L1, L2, L3) from the combination of current and voltage according to the complex AC calculation.
  • the supply and delivery of active and stub lines can be specified and, by integration over time, the total or separated energy quantities can be counted according to quadrants.
  • the network frequency and phase position control is shown in FIG. 6 and uses the complex numerical value for the fundamental oscillation of the measuring channel as the measured variable, which is used for the reference signal (usually phase L1 voltage).
  • the phase angle of this signal is compared with the setpoint for the phase angle (usually 0 °) and the deviation is fed to the controller as a control deviation.
  • the real or the imaginary part of the complex value to 0 can be used as a control deviation.
  • the controller can be designed conventionally according to the requirements for maximum frequency change per unit time and achievable frequency accuracy, for example, as a PI controller and generates as a manipulated variable the factor for sampling rate conversion. Sample rate conversion and wavelet analysis are part of the controlled system. As a result, the system forms a phase locked loop on the fundamental of the reference signal. Due to the phase-locked coupling of the system, it is possible from the values of the controller and a filtering in the power frequency calculation to specify the current network frequency very accurately.
  • Grid frequency changes can be detected early and given as signals available.
  • the system is thus also able to deliver signals and measured values in real time for devices which are to be involved in the regulation of the network frequency.
  • the signal components on the respective frequencies are periodic with the fundamental of the reference signal (network synchronous) or not.
  • a statement can be made from the ratio of the amount over the expected value to the expected value of the amounts. If this ratio is approximately 1, it can be assumed that the signal is synchronized with the mains, if the ratio is very small, it can be assumed that the signal is not synchronous with the mains.
  • the expected value can be determined as an average value or with the aid of an exponential smoothing filter. Also, arithmetic and geometric averages can be used and compared with each other.
  • your variance or probability density function is also of interest, as this can be used to derive statements about the origin of the signals and their potential interference behavior, which can be used in the demodulation of communications systems that are connected via the power grid
  • new measured values can also be generated and evaluated from the combination of several voltages or currents, or evaluation of the difference between voltages and currents.
  • Frequency range determined via the basic period or parts of the basic period possible. Individual forms of these combinations, such as e.g. Voltage symmetry and
  • the measuring system is sufficiently accurately synchronized with world time via an external or integrated timer, integration into a distributed measuring infrastructure such as the Synchronous phase measuring technology possible.
  • the additional measured variables can then also be evaluated in combination by several measuring systems.
  • the measuring system now generates a large number of measured values at a high rate. Due to inaccuracies of the transducers, thermal noise, foreign interference and effects of quantization in digital signal processing, some of these measurements do not reflect the properties of the measurement object. Which part of the measured values is affected depends on the conditions of use and partly also on the properties of the test object itself. While, for example, for mains-synchronous currents and voltages the
  • Network synchronous signals make no sense.
  • a representation of the measured values in the same measurement makes sense for individual frequency points, and not for others.
  • the recognition that the representation of a measured value makes sense or not can be automated either from other measured quantities of the same measurement - as described above - or can be decided from other measurements for determining the measuring accuracy of the measuring system by comparison. Only those measured values, which are determined by the properties of the measurement object, are used for further processing, storage and display. For the complete characterization of the replacement models, the combination of
  • Line terminations or test signal generators are used for the individual measurements. From the relation of the complex measured values in the frequency range can
  • Frequency responses are calculated. From the combination of these frequency responses and known elements of the equivalent circuit diagrams with the replacement models to be characterized, the parameters of the components of the equivalent circuit diagram can be estimated using the Laplace transformation. Since already the connection technology used or also the position of the connecting cables can have an influence on the correctness of the knife bite, in some cases a calibration measurement is included before the actual measurement
  • Precision resistors are performed as normal, which allow to identify the individual parasitic elements, to determine the magnitudes and to correct the measurement result of the actual measurement accordingly.
  • a corresponding method for the impedance measurement is given in [6].
  • test object test object

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Messung von elektrischen Eigenschaften von Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen an einem Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, wobei der Erzeuger, Verbraucher oder das Teilnetz an dem Anschlusspunkt des elektrischen Energieversorgungsnetzes angeschlossen ist, aufweisend: Messwandler zum Erfassen von Strömen und Spannungen an mehreren Kanälen, wobei die erfassten Werte digital zur Verfügung gestellt werden, eine unabhängige Taktquelle zur Generierung eines Taktes für die Abtastung für alle erfassten Kanäle, wobei der Takt für die Abtastung von den zu messenden Eigenschaften unabhängig ist, eine Abtastkonvertierungseinrichtung, wobei im Betrieb ein Kanal als Referenz dient und die Abtastratenkonvertierung an die Frequenz und Phasenlage der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals angepasst ist, wodurch eine konstante Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung zur Verfügung gestellt werden, Mittel zur Fourier-Transformation, wobei die Fourier-Transformation auf eine vorheriger Fensterung angewendet wird, wobei mit der Dauer der Grundschwingung periodische Signale durch die Fensterung unverändert und jeder Abtastwert vollständig von der Messauswertung erfasst wird, Mittel zur Berechnung und Auswertung zusätzlicher Werte aus der Kombination der Ergebnisse der Fourier-Transformation von mehreren Kanälen.

Description

Anordnung zur Messung der elektrischen Eigenschaften am Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen Erzeugern,
Verbrauchern oder Teilnetzen.
Hintergrund Verschiedene am Stromnetz angeschlossene Geräte haben sich gegenseitig beeinflusst und gestört. Das Komitee SC 205A der CENELEC hat eine Task Force EMI gegründet, welche die Effekte gesammelt, vorhandene Normen auf Anwendbarkeit überprüft und
Lösungsansätze vorschlägt. Diese Gruppe hat inzwischen 3 Reports [1 , 2, 3] vorgelegt, wobei in [1] bereits festgestellt wurde, dass die bestehenden Normen für den
Frequenzbereich 2- 150 kHz weder zur Bestimmung der notwendigen Messgrößen, noch zum Schutz der gegenseitigen Beeinflussung ausreichen. Außerhalb Europas wird auf Grund der unterschiedlichen EMV-Regulierung in den einzelnen Regionen dieser Frequenzbereich auf bis zu 500 kHz erweitert. Durch den Einsatz von neuen Technologien in den Netzteilen und Rückspeisung von Leistung in das Stromnetz zur Effizienzsteigerung der Geräte, wird eine signifikante
Veränderung des bisherigen Netzverhaltens und gegenseitigen Störung erwartet. Das hieraus entstehende Problem wurde von den Verbänden gemeinsam der Europäischen Kommission [3] angezeigt. Hinzukommt, dass durch vermehrten Einsatz regenerativer Energie die rotierenden Massen zur Energieerzeugung abnehmen. Hierdurch steigt der Bedarf, durch eine geeignete Messtechnik die relevanten Vorgänge sieht- und bewertbar zu machen. Messsysteme, welche sich diesem Thema annehmen sind bekannt aus, DE 10 2004 022 719 B4, DE 10 2010 018 996 A1 , DE 20 2014 009 161 U1 , EP 2 690 451 A1 , EP 2 957 918 A1 , US 2011 / 008 0197 A1 , US 2013 / 0154 878 A1 , US 5,899,960 und US 2014 / 032 143 A1.
Die Qualität des Stromnetzes wird heute meist nur bis 2 kHz entsprechend der Normen bewertet. Oberhalb dieser Frequenz können mit Standardmessgeräten wie Oszilloskop und Spektrumanalysatoren Ströme und Spannungen gemessen und separat ausgewertet werden. Spektrumanaiysatoren liefern nur ein Leistungsdichtespektrum, wodurch die jeweilige Phaseninformation des Spektrums verloren geht, weshalb zur Berechnung der Leistungen und Impedanzen keine Phaseninformation herangezogen werden kann. Auf Basis der aufgezeichneten Signale von Osziiloskopen kann mit der Anwendung eine Fast Fourier Transformation ein Spektrum mit Phaseninformation erzeugt werden. Da die aufgezeichneten Signale im Allgemeinen nicht periodisch mit der Länge des
Auswertefensters sind entsteht ein Leakage-Effekt, wodurch Signalanteile auf Frequenzen gemessen werden, auf denen sie im Originalsignal nicht vorhanden sind. Gerade durch die hohen Dynamikunterschiede der Signale werden hierdurch relevante Informationen vernichtet. Mit der Anwendung von Fenstern (z.B: Hanning-, Kaiser-Fenster) kann dieser Effekt reduziert werden. Durch die Anwendung des Fensters sind die Signalanteile nicht mehr Leistungsecht. D.h. für den gleichen Impuls am Eingang werden abhängig von der Lage im Auswertefenster unterschiedliche Leistungen ausgewertet und können somit zu einer echten Bewertung der Leistungen nicht herangezogen werden. Des Weiteren setzen einzelne Messverfahren eine Netzfrequenz von 50 Hz voraus, was meist gegeben ist, welche dann aber bei kritischen Netzzuständen mit Netzfrequenzen von < 48,5 Hz nicht mehr korrekt angewendet werden können oder große Messfehler erzeugen. Somit gibt es zu individuellen Fragestellungen einzelne Messverfahren, welche aber meist nicht für alle Situationen geeignet oder Fragestellungen ausreichend sind.
Zusätzlich haben Untersuchungen der Impedanz und Störungen eine Zeitvarianz aufgezeigt
[3]. Beobachtungen zeigen eine Zyklostationariät der Vorgänge mit der Netzfrequenz.
Zeitbereichssignale und Spektogramme können diese darstellen, nicht aber stochastisch Auswerten. Derartige Auswertungen werden dann teilweise offline unter der Annahme einer festen Netzfrequenz durchgeführt.
EMV-Messungen im Labor werden nach Vorschrift an einer LISN (Line Impedanec
Simulation Network) durchgeführt. Messungen [3] haben gezeigt, dass sich bereits heute das Stromnetz so stark verändert hat, dass sie nicht mehr als Abbildung der Realität dienen kann. Deshalb können alle diese Messungen, welche für die CE-Zertifizierung eines Gerätes notwendig sind, nicht für die Vorhersage des Verhaltens in der Realität verwendet werden. Realitätsnahe Messungen sind derzeit weder genormt, noch existiert ein ausreichendes Verständnis um umfassend neue Modelle zu entwickeln. Dies kann nur durch eine Vielzahl von Messungen von Netzzugangspunkten und Geräten mit geeigneten Messverfahren und -geraten zur vollständigen Ermittlung aller Einflussfaktoren erfolgen. Es ist Aufgabe der Erfindung einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Messung von elektrischen Eigenschaften von Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen an einem Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, wobei der Erzeuger, Verbraucher oder das Teilnetz an dem Anschlusspunkt des elektrischen Energieversorgungsnetzes angeschlossen ist, , aufweisend:
- Messwandler zum Erfassen von Strömen und Spannungen an mehreren Kanälen , wobei die erfassten Werte digital zur Verfügung gestellt werden,
- eine unabhängige Taktquelle zur Generierung eines Taktes für die Abtastung für alle erfassten Kanäle, wobei der Takt für die Abtastung von den zu messenden Eigenschaften unabhängig ist,
- eine Abtastkonvertierungseinrichtung, wobei im Betrieb ein Kanal als Referenz dient und die Abtastratenkonvertierung an die Frequenz und Phasenlage der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals angepasst ist, wodurch eine konstante Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung zur Verfügung gestellt werden,
- Mittel zur Fourier-Transformation, wobei die Fourier-Transformation auf eine vorheriger Fensterung angewendet wird, wobei mit der Dauer der
Grundschwingung periodische Signale durch die Fensterung unverändert bleiben und jeder Abtastwert vollständig von der Messauswertung erfasst wird.
- Mittel zur Berechnung und Auswertung zusätzlicher Werte aus der Kombination der Ergebnisse der Fourier-Transformation von mehreren Kanälen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Messung der elektrischen Eigenschaften am Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- erfassen und digitalisieren von Strömen und Spannungen an mehreren Kanälen,
- bereitstellen eines gemeinsamen Taktes für die Abtastung in allen Kanälen, wobei der Takt von den zu messenden Eigenschaften unabhängig ist, Verwenden einer sich im Betrieb an die Frequenz und Phasenlage der
Grundschwingung eines als Referenz definierten Kanals anpassende Abtastratenkonvertierung , welche zu einer konstanten Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung führt,
anwenden einer Fourier-Transformation mit vorheriger Fensterung, wobei mit der Dauer der Grundschwingung periodische Signale durch die Fensterung unverändert bleiben, die Trennschärfe für nicht periodische Signale erhöht und jeder Abtastwert vollständig von der Messauswertung erfasst wird. berechnen und auswerten zusätzliche Werte aus der Kombination der Ergebnisse der Fourier-Transformation von mehreren Kanälen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche bzw. der Beschreibung und der zugehörigen Figuren.
Kurzdarstellung der Figuren
Fig. 1 zeigt schematisch einen Netzübergang,
Fig. 2 zeigt schematisch ein Meß-System,
Fig. 3 zeigt schematisch einen Labor-Messaufbau, um ein an das Stromnetz
anzuschließenden Prüfling zu charakterisieren,
Fig. 4 zeigt schematisch einen Messaufbau, um einen Anschlusspunkt am Stromnetz zu charakterisieren,
Fig. 5 stellt schematisch die Messauswertung der einzelnen Kanäle dar,
Fig. 6 stellt schematisch die Netzfrequenz- und Phasenlageregelung dar.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Als Anschluss wird der Punkt bezeichnet, an dem ein Gerät oder beliebiges Objekt
(Verbraucher oder Erzeuger) oder auch Teilnetz an das Versorgungsnetz angeschlossen ist und für den die die charakteristischen Eigenschaften (Spannungen, Ströme, Leistungen) berechnet werden sollen. Da sich beide Seiten gegenseitig beeinflussen wird hierfür ein charakteristisches Ersatzmodeli sowohl für das angeschlossene Objekt als auch für das Verhalten des Stromnetztes am Anschluss benötigt. Figur 1 zeigt einen Netzübergang eines 3-phasen Systems mit den Phasen L1 , L2, L3 und dem Neutralleiter N. Einphasensysteme mit L und N oder auch Systeme ohne Neutralleiter können als Spezialfall hieraus abgeleitet werden. Als Beispiel für ein Ersatzmodeli ist eine von mehreren möglichen Darstellungen angegeben, welche meistens ineinander umgerechnet werden können. Da das
Ersatzmodeli eine vollständige Beschreibung der Eigenschaften ermöglicht kann es sowohl zur Beschreibung der Eigenschaften des Stromnetzes als auch des angeschlossenen Objektes verwendet werden. Jede Phase wird hier unabhängig von den anderen auf Neutralleiter bzw. dem virtuellen Sternpunkt eines Systems ohne Neutralleiter bezogen. Die Eigenschaften der Phase werden entweder durch eine ideale Spannungsquelle und einem hierzu in Reihe geschalten Innenwiderstand, oder einer Stromquelle mit parailelgeschalteter Impedanz charakterisiert. Ein rein passives System kann als Spezialfall mit einer
Stromquelle von 0 A betrachtet werden. Alle diese Elemente können für verschiedene Frequenzen unterschiedliche Werte annehmen. Prinzipiell sind diese Werte auch von der Zeit abhängig. Meistens wird aber ein zykiostationäres Verhalten angenommen und somit die Werte für die einzelnen Phasenlagen ermittelt. Die verbliebenen Unsicherheiten können mit Kenngrößen der Stochastik abgebildet werden. Die Aufgabe des Messsystems ist es somit sowohl an einem Anschluss zum Netz, als auch für ein anzuschließendes Objekt im Labor diese Ersatz rnodelle vollständig zu ermitteln. Das Verhalten an einem Anschluss kann dann vorhergesagt werden. Bei ausreichend genauer Beschreibung der Verkabelung können auch Netzmodelle und gegenseitige Beeinflussung von angeschlossenen Objekten berechnet werden. Zusätzlich sollen alle bisher üblichen Messgrößen weiterhin ermittelt werden können.
Figur 2 zeigt einen typischen Aufbau für ein derartiges Messsystem. Auf der rechten Seite ist das Messobjekt platziert. Dies kann ein anzuschließendes Objekt oder auch das zu vermessende Stromnetz am Anschlusspunkt sein. Hierzu werden die 3 Phasen L1 , L2, L3 und der Neutralleiter durch das Messsystem geführt. Die Ströme der einzelnen Phasen und des Neutralleiters werden mit Hilfe von Strommesswandlern (z.B: Strommesszange, induktiver Messwandler, Shunt, ...) in ein Messsignai umgewandelt und einer
Messwerterfassung zugeführt. Über einen gemeinsamen Taktgeber synchronisierte
Messkanäle wandeln die Messsignale in digitalisierte Messwerte. Eine Korrektur der Eigenschaften der Messwandler kann hier bereits vorgenommen werden. Wird ein Shunt als Stromwandler eingesetzt, muss auf eine galvanische Trennung der Messkanäle geachtet werden. Diese ist ohne Verlust an Genauigkeit oft erst an einer digitalen Schnittstelle durchführbar und kann zu separaten Messwerterfassungseinheiten, gegebenenfalls sogar mit Teilen der Signalverarbeitung zur Datenreduktion führen. Die Spannungen der einzelnen Phasen gegenüber dem Neutralleiter werden über Spannungsmesswandler erfasst und als Messsignale den Messkanälen der Messwerterfassung zugeführt. Teilweise können die Spannungen auch ohne Messwandler den Messkanälen direkt zugeführt werden. Da der Einfluss der Spannungsmessung auf die Strommessung vemachiässigbar ist wird ein spannungsrichtiges Messverfahren gewählt. Bei gleichzeitiger Messung von verschiedenen Anschlusspunkten im Netz ist eine Zeitsynchronisation der Messsysteme sinnvoll. Hierfür kann unter anderem ein PPS-Signale (pulse per second) einer externen
Zeitsynchronisationseinheit auf einem weiteren Messkanal erfasst und ausgewertet werden. Sowohl die Messwandler als auch entsprechende Messwerterfassungsgeräte mit der Möglichkeit die digitalisierten Messwerte in der entsprechenden zeitlichen Auflösung an Rechensystem weiterzureichen können am Markt bezogen werden [4j. Zur Kostenreduktion sind sowohl komplett integrierte Messsystem für dezentrale Erzeuger und leistungsstarke Verbraucher, als auch eine Integration in hochwertige Stromzähler vorstellbar.
Kernstück der Erfindung ist die Kombination der Messwertauswertung der einzelnen Kanäle, Netzfrequenzregelung, sowie die Auswertung kombinierter Signale und deren Bewertung. Die Ergebnisse werden zum Anzeigen und Speichern bereitgestellt.
Figur 3 zeigt den Messaufbau im Labor um ein an das Stromnetz anzuschließendes Objekt, Prüfling genannt, zu charakterisieren. Der Prüfling kann sowohl Verbraucher als auch Erzeuger sein. Ein Objekt kann gleichzeitig auf einer Frequenz ein Verbraucher und auf anderen Frequenzen ein Erzeuger sein. Hierzu wird der Prüfling als Messobjekt an das Messsystem angeschlossen, welches die Ergebnisse der Untersuchung zur Anzeige und Speicherung bereitstellt. Das Stromnetz liefert die Versorgungsspannungen, bzw. dient als Lastsenke für einen Erzeuger auf der Netzfrequenz. Die Aufgabe des Netzfilters ist es, Störungen aus dem Stromnetz von dem Messsystem fern zu halten. Die Ausgangsimpedanz des Netzfilters ist für höhere Frequenzen möglichst hochohmig auszubilden. Für E MV- Messungen nach den gültigen Normen ist die Messung an einer in den Normen spezifiziertes Netzimpedanzsimulationsnetzwerk (line impedance Simulation network, LISN)
vorgeschrieben. Der Einfluss der Stromwandler im Messsystem ist in dieser Einheit zu kompensieren, so dass der Prüfling die entsprechende Netzimpedanz sieht. Um die einzelnen Komponenten des Ersatzmodels bestimmen zu können sind mehrere Messungen notwendig. Hierbei können die Komponenten nicht direkt bestimmt werden, sondern müssen aus den Messungen zusammen mit Daten aus der Kalibrierung des Messsystems zur Kompensation von parasitären Effekten von Bauteilen und Kabeln des Aufbaus, zurückgerechnet werden. Für die Kalibrierung werden anstelle des Prüflings
Normale angeschlossen und damit das Messsystem justiert bzw. die Korrekturterme für die nachfolgende Messung bestimmt. Für eine Messung zur vorwiegenden Bestimmung der idealen Spannungsquelle wird das Messsystem direkt an das möglichst hochohmige Netzfilter angeschlossen. Bei der nächsten Messung zur vorwiegenden Bestimmung des Innenwiderstands der Spannungsquelle wird an der Stelle der LISN ein Kurzschlussmodul mit Netzfrequenzblockern geschaltet. Ideal wäre ein echter Kurzschluss, der aber wegen den entstehenden Strömen nicht realisierbar ist. Die Netzfrequenzblocker haben die Aufgabe die Grundschwingung auf 50 Hz bzw. 60 Hz zu blockieren und hier nur einen begrenzten Strom zuzulassen, für alle anderen Frequenzen aber möglichst leitend zu sein. Eine einfache Implementierung eines Netzfrequenzblockers kann mit einer Kapazität erfolgen, aber auch höherwertige Lösungen mit Filter höherer Ordnung sind möglich. In einer weiteren Messung soll vorwiegend die parallel zur Stromquelle liegende Impedanz im Ersatzmodell bestimmt werden. Hierzu werden auf den einzelnen Phasen Testsignale vor dem Messsystem eingespeist um die Reaktion des Prüflings auf die Signale mit dem Messsystem zu erfassen. Als Testsignal kann z.B. ein Rauschen verwendet werden, welches alle Frequenzen enthält oder Chirp-Signale, welche nacheinander auf allen Frequenzen monofrequente
Schwingungen erzeugt. Zum Schutz der Testsignalgeneratoren sind wieder
Netzfrequenzblocker einzusetzen. Figur 4 zeigt den Messaufbau um einen Anschlusspunkt am Stromnetz zu charakterisieren. Auch in diesem Fall wird eine Justierung des Messsystems und Berechnung von
Korrekturwerten anhand von Normalen erfolgen. Hierbei können parasitäre Effekte der Zuleitungen zu dem Anschlusspunkt bereits eliminiert werden. Das Messobjekt ist das Stromnetz, an welches das Messsystem angeschlossen wird. Auch hier sind wieder mehrere Messungen notwendig. Zum einen wird mit offenem Ende gemessen, um die
Spannungsquellen der Ersatzmodeile bestimmen zu können. Die nächste Messung erfolgt mit einem Kurzschluss, welcher wieder die Netzfrequenzblocker enthält um den
Innenwied erstand der Ersatzmodelle zu bestimmen. Bei der weiteren Messung werden wieder Testsignale aus einer Signalquelle eingespeist, wobei die Signalgeneratoren durch die Netzfrequenzblocker geschützt werden. Alternativ zu Messung mit offenen Ende und Kurzschluss können auch Messungen mit definierten Widerständen als Leitungsabschlüsse verwendet werden. Kurzschluss und offenes Ende werden nur als eine spezielle Ausprägung von möglichen Leitungsabschlüssen betrachtet.
Zur Verifikation der Modelle, kann dann auch ein konkreter Prüfling an das Messsystem, welches wiederum an einem konkreten Netzzugangspunkt hängt, angeschlossen werden. Hierbei ist dann zu berücksichtigen, dass die Stromwandler Einfluss auf die vom Prüfling sichtbare Impedanz des Stromnetzes haben. Hier kann dann auch eine reine
Spannungsmessung ohne Stromwandler sinnvoll sein. Von der Messwerterfassung liegen nun von mehreren Kanäle synchron abgetasteten Strom- und Spannungswerten vor. Hierzu ist der Abtasttakt aus einer einzigen Taktquelle mit hoher Güte abzuleiten. Die Abtastfrequenz ist starr und wird nicht der Netzfrequenz angepasst. Sind die einzelnen Messkanäle in einer Messwertauswertung integriert (z.B. [4]) so ist dies automatisch gegeben. Andernfalls ist es in der Messtechnik üblich, Messgeräte mit einem externen Referenztakt zu versorgen. Es wird ein im Vergleich zum Messbereich relative hohe Abtastfrequenz gewählt um Beeinflussungen des Messsignals durch vor einer Abtastung zum Erhalt der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) immer notwendigen Anti-Alias Filter minimal zu halten. Auch muss sichergestellt werden, dass die
Frequenzgänge der Filter im Messbereich die Messgenauigkeit nicht unzulässig
beeinflussen.
Figur 5 stellt die Messauswertung der einzelnen Kanäle dar. Die Ergebnisse der einzelnen Kanäle werden im Weiteren einzeln oder kombiniert ausgewertet und weiterverarbeitet. Prinzipiell werden hier alle Strom- und Spannungskanäle gleich behandelt, wobei ein Kanal, meistens Spannung der Phase L1 , als Referenz für die Netzfrequenz- und
Phasenlagenregelung verwendet wird und die Stellgröße aus diesem Regler der
Messwertauswertung der anderen Kanälen zur Verfügung gestellt wird. Somit kann auch weiterhin sichergestellt werden, dass die Abtastwerte zueinander synchron sind. Die Grundschwingung und die ersten harmonischen Oberschwingungen können
Signalstärken enthalten, welche um ein vielfaches höher sind als die zu messenden
Signalstärken auf höheren Frequenzen. Dass Messsystem muss somit in einer Messung eine sehr hohen Dynamikbereich zwischen einzelnen Frequenzen abdecken können. Für die spektrale Auswertung soll ein auf der diskreten Fourier-Transformation (DFT)
beziehungsweise Fast Fourier Transformation (FFT) basierendes Verfahren der Wavelet- Analyse eingesetzt werden, wobei die reine Anwendung der DFT als Spezialfall mit Rechteckfenster enthalten ist. Die mathematische Definition der DFT setzt ein periodisches Signal mit einer Periodendauer gleich dem Auswertefensters voraus. Wird die DFT nun auf Signale angewendet, welche nicht mit der Länge des Auswertefensters periodisch sind, so entsteht der Leakage-Effekt und es werden Signalanteile in Frequenzen ausgewertet, wo im Originalsignal keine Signalanteile vorhanden sind und zu falschen Messergebnissen führen.
Da z.B. thermisches Rauschen zu keiner Periodendauer periodisch ist, gibt es immer Signale, wo dieser Effekt nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, wobei die später beschriebene Fensterung als Bestandteil der Wavelet-Analyse hier Vorteile bringt. Für die Grundschwingung und harmonischen Oberschwingung der Ströme- und Spannungen aus dem Stromnetz kann aber ein Auswertefenster mit der Länge der Periodendauer der Grundschwingung, bzw. eines beliebigen ganzzahligen Vielfachen, gewählt werden und somit der Leakage-Effekt für diese Signalanteile vermieden werden. Nominal sind diese Frequenzen der Grundschwingung 50 Hz bzw. 60 Hz. Je nach Lastsituation schwanken aber die Frequenzen. Diese Schwankungen sind in Inselnetzen wesentlich höher als wir es hier in Europa im Verbundnetz unter Normalbedingungen gewöhnt sind. Messgeräte in diesem Bereich werden oft auf Frequenzschwankungen von ± 10% und eine
Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz von mehreren Hz pro Sekunde ausgelegt. Eine Regelung der Abtastraten in der Messwerterfassung (wie aus US 201 1/0080197 A1 bekannt) ist meist nicht vorteilhaft, da dieser Vorgang Einfluss auf die Messgenauigkeit und Auslegung der analogen Komponenten haben kann. Eine Anpassung der Anzahl von Abtastwerten pro Auswert periode würde zu deutlichen Performanceverlusten der Algorithmen führen (DFT statt FFT) und zu einer dynamischen Veränderung der Anzahl von Frequenzpunkten. Auch würden Flattereffekte durch die zeitliche Quantisierung entstehen, welche nicht vorteilhaft sind und eine genaue Netzfrequenzanalyse erschweren. Dennoch würde auch hierauf ein Großteil der weiteren Arbeitsschritte angewendet werden können.
Im Weiteren wird davon ausgegangen, dass eine feste Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung erzeugt wird. Um die maximale Effizienz der FFT realisieren zu können werden dies NFFT = 2* sein. Hierfür wird eine Abtastraten konvertierung eingesetzt, bei welcher das Ratenverhältnis sehr fein quantisiert und dynamisch angepasst werden kann. Bei einer Abtastratenkonvertierung können neue Alias-Effekte entstehen, weshalb vor der Abtastratenkonvertierung entsprechend dem Stand der Technik immer ein geeignetes Filter einzusetzen ist. Eine mögliche Implementierung einer Abtastratenkonvertierung ist ein Interpolator, welcher in der Lage ist zwischen 2 existierenden Abtastwerten neue
Abtastwerte zu generieren. Hierzu kann er entweder nur die beiden benachbarten Abtastwerte (lineare Interpolation) oder mehrere Abtastwerte in der Nähe (spline
Interpolation) berücksichtigen. Bei einer ausreichend hohen Abtastrate und einem der Interpolation vorgeschalteten Tiefpass können auch mit der einfach zu implementierenden linearen Interpolation für fast beliebig genau zu wählende Positionen gute Ergebnisse für Abtastratenkonvertierungen um den Faktor 1 bis 2 erzielt werden. Dieser Faktor berechnet sich aus dem Abstandsintervall am Eingang zum Abstandsintervail am Ausgang. Der Abtastratenfaktor kann somit fast beliebig genau in diesem Bereich eingestellt werden und ist proportional zur Stellgröße im Rahmen der Netzfrequenzregelung. Eine weitere
Abtastratenreduktion um einen festen Faktor (Ganzzahl, Zweierpotenz bevorzugt) kann in einem oder mehreren Schritten durch Tiefpassfilterung und Unterabtastung erfolgen. Die Filter müssen neben der Unterdrückung der Spiegelfrequenzen auch dafür entworfen sein, dass der Messbereich nicht unzulässig beeinflusst wird.
An dieser Stelle entsteht somit für alle Messkanäle ein mit der Grundschwingung auf dem Referenzsignal L1 für die Netzfrequenzregelung synchronisiertes Zeitsignal mit genau /VFFT Abtastwerten pro Periodendauer der Grundschwingung. Der Index der Abtastwerte ist somit immer proportional zur Phase der Grundschwingung auf dem Referenzsignal L1.
Diese Signale aller Ströme und Spannungen wird unter anderem zur weiteren Auswertung im Zeitbereich zur Verfügung gestellt und können typischer weise für jede Phasenlage separat oder in Gruppen nach stochastischen Kenngrößen wie Erwartungswert, Varianz, Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, ... analysiert und die Ergebnisse in verscheiden Darstellungsformen angezeigt und gespeichert werden. Entsprechende Darstellungen über der Zeit sind in Standardmessequipment vorhanden. Bei konstanter Netzfrequenz könnte dies äquivalent sein, oft ist aber die Phasenlage des Referenzsignals mit
Standardmessequipment nicht in der gleichen Qualität zu bestimmen und deshalb kommen dann weitere zeitliche Ungenauigkeiten in der Aufzeichnung hinzu. In der hier angewendeten Methode kann hierfür eine Messung mit höherer Qualität realisiert werden. Auch können die Signale auf Einhaltung von Parametern überwacht und Events erzeugt werden, welche eine Speicherung von Daten oder Alarmierung auslösen.
Diese Signale werden auch einer FFT basierten Wavelet-Analyse zur Verfügung gestellt. Diese besteht aus eine Fensterung und einer FFT. Das Rechteckfenster schließt als
Spezialfall die direkte Anwendung der FFT ein. Im Gegensatz zu klassischen Fensterfunktion wird verlangt, dass mit der Grundschwingung periodische Signale mit der Anwendung der Fensterung nicht verändert werden. Dies wird durch die klassischen Fensterfunktionen zur Bekämpfung des Leakage-Effekts (Kaiser, Flanning, ...) nicht erfüllt, weshalb die Ergebnisse nicht mehr die richtige Energie wiederspiegeln und somit zur Messung von Energien nicht geeignet sind. Bei der hier angewendeten Fensterung wird ein Zeitbereich herangezogen, welcher größer ist als das Auswertefenster der FFT. Die einzelnen Abtastwerte werden individuell gewichtet und danach mit dem jeweils ebenfalls gewichteten Abtastwerten einer Periode der Grundschwingung später addiert. Die einzelnen Gewichte sind so gewählt, dass die Summe der Gewichte für jeden einzelnen Wert im Auswertefenster der FFT gleich 1 ist. Somit hat dies keinen Einfiuss auf Signale, welche mit der Grundschwingung periodisch sind. Konstanten, welche sich auf alle Werte gleichermaßen auswirken, wurden in der Betrachtung vernachlässigt. Fensterfunktionen, welche diese Eigenschaft erfüllen und den Leakage- Effekt für nicht mit der Grundschwingung periodische Signale reduzieren sind Cos-Roll-Off und Trapezfenster. Bei einem sehr effektiven Cos-Roll-Off Fenster mit α = 1 ist das
Verfahren identisch mit einer speziellen Art der Wavelet-Analyse.
Bei einer lückenlosen Reihung der Auswertefenster für die FFT ergibt sich für die jeweils betrachteten Abtastwerte eine Überlappung. Für jeden Abtastwert wird sichergestellt, dass die Summe der Anteile, welche durch die Gewichtung auf verschieden Auswertefenster der FFT verteilt werden, wieder genau 100 % betragen. Somit ist für jedes beliebige Signal sichergestellt, dass alle Teile zu 100% von der Messung erfasst werden und bei der
Integration der Ergebnisse der einzelnen FFTs richtig bewertet werden. Dieses ermöglicht in der weiteren Verarbeitung auch eine Leistungs- und Energiemessung zu
Abrechnungszwecken auf der Basis der spektralen Auswertung. Hierfür müssen die die Ergebnisse der Strom- und Spannungskanäle noch in Kombination ausgewertet werden.
Im Abstand von einer Grundschwingung stehen somit die Ergebnisse der Wavelet-Analyse als ein komplexer Zahlenwert pro Frequenzpunkt für Gleichanteil, Grundschwingung und harmonische Oberschwingungen der weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Für mit der Grundschwingung periodische Signale ist dieses Ergebnis identisch mit einer Fourier- Transformation. Leistungen und Impedanzen können für jeden Frequenzpunkt und Phase (L1 , L2, L3) aus der Kombination von Strom und Spannung entsprechend der komplexen Wechselstromrechnung bestimmt werden. Für jeden Frequenzpunkt und Phase können somit der Bezug- und Lieferung von Wirk- und Blindleitung angegeben und durch Integration über der Zeit die Energiemengen gesamt oder separiert nach Quadranten gezählt werden.
Die Netzfrequenz- und Phasenlageregelung wird in Figur 6 dargestellt und verwendet als Messgröße den komplexen Zahlenwert für die Grundschwingung desjenigen Messkanals, welcher für das Referenzsignal verwendet wird (meistens Spannung der Phase L1). Die Phasenlage dieses Signals wird mit dem Sollwert für die Phasenlage (meist 0°) verglichen und die Abweichung als Regelabweichung dem Regler zugeführt. Alternativ mit einem vergleichbaren Ergebnis kann auch der Real- bzw. der Imaginärteil des komplexen Wertes gegenüber 0 als Regelabweichung verwendet werden. Der Regler kann klassisch entsprechend den Anforderungen an maximale Frequenzänderung pro Zeiteinheit und erreichbare Frequenzgenauigkeit zum Beispiel als Pl-Regler ausgelegt werden und erzeugt als Stellgröße den Faktor für die Abtastratenkonvertierung. Die Abtastratenkonvertierung und die Wavelet-Analyse sind Bestandteil der Regelstrecke. Als Ergebnis bildet das System eine Phase Locked Loop auf der Grundschwingung des Referenzsignals. Durch die phasenstarre Kopplung des Systems ist es möglich aus den Werten des Reglers und einer Filterung in der Netzfrequenzberechnung die momentane Netzfrequenz sehr genau anzugeben.
Netzfrequenzänderungen können frühzeitig erkannt und als Signale zur Verfügung gesteilt werden. Dass System ist somit auch in der Lage Signale und Messwerte in Echtzeit für Geräte zu liefern, welche an der Regelung der Netzfrequenz beteiligt werden sollen.
Gerade mit elektrischen Schaltelementen in Netzteilen entstehen zeitvariante, aber zyklostationäre Störungen, die analysiert werden sollen, wodurch spektrale Auswertungen des Signals von kürzeren Zeitperioden als die Periode der Grundschwingung notwendig werden. Hierzu unterteilt die Segmentierung in Figur 5 das Zeitsignal in Ausschnitte und stellt diese mit der notwendigen Überlappung der Fensterung für eine Wavelet-Analyse zur Verfügung. Eine einfache und effiziente Implementierung ergibt sich, wenn 2N Segmente pro Grundperiode realisiert werden. Jedes dieser Segmente hat nun gegenüber dem
Referenzsignal der Grundschwingung eine charakteristische Phasenlage. Zeitliche
Auflösung und spektrale Schärfe der Messungen werden hierbei gegeneinander
ausgetauscht und müssen entsprechend dem jeweiligen Ziel der Messung angepasst werden. Da in diesem Fall auch netzsynchrone Signal bezüglich dem Auswertefenster der FFT nicht mehr periodisch sein müssen ist eine wirkungsvolle Maßnahme zur Minimierung des Leakage-Effekts notwendig und mit der Wavelet-Analyse gegeben. Auch hierbei wird sichergestellt, dass jeder Abtastwert zu genau 100% in den Auswertefenstern der FFTs vorhanden ist.
Aus den berechneten Spektralwerten der Ströme und Spannungen für jedes Segment können mit Hilfe der komplexen Wechselstromrechnung für jeden Frequenzpunkt Leistungen (inkl. Richtung, Wirk- und Blindanteil) und Impedanzen (inkl. ohmscher, kapazitiver und induktiver Anteil) berechnet werden. Bei Messungen über mehrere Perioden von Grundschwingungen können Segmente mit gleicher charakteristischer Phasenlage zusammengefasst und die einzelnen Messgrößen mit den Werkzeugen der Stochastik analysiert werden. Die Messung der Spektralwerte über die gesamte Grundperiode können ebenfalls mit den gleichen Werkzeugen stochastisch ausgewertet werden. Hierbei ergeben sich signifikante Merkmale für einzelne Technologien oder sogar Geräten, welche als Fingerabdruck verwendet werden können um eine Identifizierung der aktuell
angeschlossenen und verwendeten Geräten oder deren Betriebsmodi herzuleiten.
Bei Spannungen, Strömen oder Leistungen ist es von Interesse, ob die Signalanteile auf den jeweiligen Frequenzen periodisch mit der Grundschwingung des Referenzsignals sind (netzsynchron) oder eben nicht sind. Hierbei kann aus dem Verhältnis des Betrags über den Erwartungswert zu dem Erwartungswert der Beträge eine Aussage getroffen werden. Ist dieses Verhältnis annähernd 1 , so ist von einem netzsynchronen Signal auszugehen, ist das Verhältnis sehr klein, so kann von einem nicht netzsynchronen Signal ausgegangen werden. Der Erwartungswert kann als Mittelwert oder mit Hilfe eines exponentieilen Glättungsfilters bestimmt werden. Auch können arithmetische und geometrische Mittelungen eingesetzt und auch miteinander verglichen werden. Neben den eigentlichen Messwerten ist auch Ihre Varianz, bzw. Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von Interesse, da hieraus Aussagen über das Entstehen der Signale und ihrem potentiellen Störverhalten abgeleitet werden können, was in der Demodulation von Nachrichtensystemen, welche über das Stromnetz
kommunizieren, bereits genutzt wird [5].
Neben der Kombination von Strom und Spannung der einzelnen Phasen können auch aus der Kombination mehrerer Spannungen oder Ströme, bzw. Auswertung der Differenz zwischen Spannungen und Strömen neue Messwerte erzeugt und ausgewertet werden. Die Phasenlage eines Signals in Bezug auf die Phasenlage der Grundschwingung des
Referenzsignals ist in den komplexen Werten des Frequenzbereiches bereits gegeben. Diese Kombinationen sind sowohl für die Darstellung im Zeitbereich, als auch im
Frequenzbereich ermittelt über die Grundperiode bzw. Teilstücke der Grundperiode möglich. Einzelne Ausprägungen dieser Kombinationen, wie z.B. Spannungsymmetrie und
Fehlerströme, sind Stand der Technik und werden teilweise von bestehenden Standards erfasst.
Ist das Messsystem über einen externen oder integrierten Zeitgeber ausreichend genau mit der Weltzeit synchronisiert, ist eine Integration in eine verteilte Messinfrastruktur wie die Synchronphasor Messtechnik möglich. Die zusätzlichen Messgrößen können dann ebenfalls in Kombination von mehreren Messsystemen ausgewertet werden.
Das Messsystem erzeugt nun in einer hohen Rate eine Vielzahl von Messwerten. Durch Ungenauigkeiten der Messwandler, thermischen Rauschen, Fremdstörungen und Effekte der Quantisierung in der digitalen Signalverarbeitung geben ein Teil dieser Messwerte nicht die Eigenschaften des Messobjektes wieder. Welcher Teil der Messwerte davon betroffen ist hängt von den Einsatzbedingungen und teilweise auch Eigenschaften des Messobjektes selber ab. Während zum Beispiel für netzsynchrone Ströme und Spannungen die
Auswertung der Phasenlage sinnvoll ist, macht die gleiche Auswertung für nicht
netzsynchrone Signale keinen Sinn. Somit ist eine Darstellung der Messwerte in der gleichen Messung für einzelne Frequenzpunkte sinnvoll, und für andere eben nicht. Die Erkennung, dass die Darstellung eines Messwerts sinnvoll ist, oder nicht kann automatisiert entweder aus anderen Messgrößen der gleichen Messung - wie vorher beschrieben - erfolgen, oder aus anderen Messungen zu Bestimmung der Messgenauigkeit des Messsystems durch Vergleich entschieden werden. Nur diejenigen Messwerte, welche durch die Eigenschaften des Messobjektes bestimmt werden, werden für die weitere Verarbeitung, Speicherung und Darstellung verwendet. Für die vollständige Charakterisierung der Ersatzmodelle ist die Kombination von
Messergebnissen aus mehreren Messungen notwendig, wobei unterschiedliche
Leitungsabschlüsse bzw. Testsignalgeneratoren für die einzelnen Messungen zum Einsatz kommen. Aus der Relation der komplexen Messwerte im Frequenzbereich können
Frequenzgänge berechnet werden. Aus der Kombination dieser Frequenzgänge und bekannten Elementen der Ersatzschaltbilder mit den zu charakterisierenden Ersatzmodellen können unter Anwendung der Laplace-Transformation die Parameter der Komponenten des Ersatzschaltbildes geschätzt werden. Da bereits die verwendete Anschlusstechnik bzw. auch die Lage der Anschlusskabel Einfiuss auf die Richtigkeit des Messergenbisse haben kann, wird teilweise vor der eigentlichen Messung eine Kalibrierungsmessung mit
Präzisionswiderständen als Normale durchgeführt, welche es erlauben die individuellen parasitären Elemente zu identifizieren, die Größen zu bestimmen und das Messergebnis der eigentlichen Messung entsprechend zu korrigieren. Ein entsprechendes Verfahren für die Impedanzmessung ist in [6] angegeben.
Referenzen [1] TF EM! STUDY REPORT ON ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE BETWEEN ELECTRICAL EQUIPMENT / SYSTEMS IN THE FREQUENCY RANGE BELOW 150 kHz, CENELEC SC205A/Sec0260/R, April 2010
[2] TF EMI STUDY Electromagnetic Interference between Electrical Equipment/Systems in the Frequency Range below 150 kHz, Ed. 2, CENELEC SC205A/Sec0339/R: April 2013
[3] TF EMI STUDY Electromagnetic Interference between Electrical Equipment/Systems in the Frequency Range below 150 kHz, Edition 3, CENELEC SC205A/Sec0400/R: Oktober 2015
[4] PICO Scope 4824: httDs://ww .picotech.com/oscilloscope/4824/8-channel- oscilloscope
vom 8.2.2016
[5] On the Impact of Noise Power Estimation for Soft Information Generation in OFDM- based PLC Systems, IEEE International Symposium on Power-Line Communication 2016, Bottrop, Germany 20.3 - 23.3.2016
[6] On the impedance of the low-voltage distribution grid at frequencies up to 500 kHz, Sigle, M.; Wenqing Liu; Dostert, K.; Power Line Communications and Its Applications (ISPLC), 2012 16th IEEE International Symposium on , vol., no., pp.30-34, 27-30 March 2012
Referenzzeichen
1 Ersatzmodell für das Stromnetz am Anschluss
2 Anschlusspunkt
3 Ersatzmodell für das Objekt {Gerät, Erzeuger, Verbraucher, Teilnetz)
4 Ideale Spannungsquelie
5 Innenwiderstand der Spannungsquelle
6 Ideale Stromquelle
7 Eingangsimpedanz
10 Messsystem
11 Messobjekt
12 Strommesswandler (Stromzange, Shunt, ...)
13 Spannungsmesswandler
14 Messwerterfassung
15 Messkanal (Analog -> Digital)
16 Gemeinsamer Taktgeber für Messkanäle
17 Ext. Zeitsynchronisationssignal
18 Messwertauswertung
19 Netzfrequenz- / Phasenlageregelung
20 Auswertung und Bewertung
21 Anzeige und Speicherung
31 Stromnetz
32 Netzfilter
33 Netzimpedanzsimulationsnetzwerk
34 Netzfrequenzblocker
35 Testsignalgenerator
36 Prüfling, Messobjekt
41 Stromnetz, Messobjekt
42 Kurzschluss mit Netzfrequenzblockern Abtastratenkonvertierung
Tiefpassfilter (nur bei linearen Interpolator)
Interpolator
Unterabtastung mit vorheriger Tiefpassfilterung Fensterung
Diskrete oder schnelle Fourier Transformation Wavelet-Analyse
Segmentierung
Auswertung im Zeitbereich
Auswertung im Frequenzbereich
Regelreferenz
Soll- / Istwert Vergleich
Regeldifferenz
Regler
Steilgröße (Faktor der Abtastratenkonvertierung) Selektion des Spektralwertes für die Grundschwingung Berechnung der Phase
Netzfrequenzberechnung

Claims

Ansprüche
1. System zur Messung von elektrischen Eigenschaften von Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen an einem Anschlusspunkt eines elektrischen
Energieversorgungsnetzes, wobei der Erzeuger, Verbraucher oder das Teilnetz an dem Anschlusspunkt des elektrischen Energieversorgungsnetzes angeschlossen ist, , aufweisend.
- Messwandler zum Erfassen von Strömen und Spannungen an mehreren Kanälen , wobei die erfassten Werte digital zur Verfügung gesteilt werden,
- eine unabhängige Taktquelle zur Generierung eines Taktes für die Abtastung für alle erfassten Kanäle, wobei der Takt für die Abtastung von den zu messenden Eigenschaften unabhängig ist,
- eine Abtastkonvertierungseinrichtung, wobei im Betrieb ein Kanal als Referenz dient und die Abtastratenkonvertierung an die Frequenz und Phasenlage der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals angepasst ist, wodurch eine konstante Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung zur Verfügung gestellt werden,
- Mittel zur Fourier-Transformation, wobei die Fourier-Transformation auf eine vorheriger Fensterung angewendet wird, wobei mit der Dauer der
Grundschwingung periodische Signale durch die Fensterung unverändert bleiben und jeder Abtastwert vollständig von der Messauswertung erfasst wird,
- Mittel zur Berechnung und Auswertung zusätzlicher Werte aus der Kombination der Ergebnisse der Fourier-Transformation von mehreren Kanälen.
2. System nach Anspruch 1 , wobei die Fensterung größer ist als das Auswertefenster, die einzelne Abtastwerte individuell gewichtet und mit jeweils ebenfalls gewichteten Abtastwerten einer Periode der Grundschwingung addiert werden, wobei jeder einzelne Abtastwert wird in der Summe der Anteile, welche durch die Gewichtung auf verschieden Auswertefenster verteilt werden, vollständig von der Messauswertung erfasst.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend Mittel zur Bestimmung der Frequenz der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals, wobei
- eine Regelung eingesetzt wird, - zur Gewinnung der Regelgröße die Phase, Real- oder Imaginär-Teil oder darin überführbare Darstellung des Ergebnisses der Fourier-Transformation für die
Grundschwingung verwendet wird,
- die Stellgröße zur Anpassung der Abtastratenkonvertierung verwendet wird - die Frequenz der Grundschwingung aus der Stellgröße oder innerhalb des
Reglers vorhandenen Größen berechnet wird.
System nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, weiterhin aufweisend Mittel zur Identifikation der Frequenz, wobei bestimmt werden kann, ob das Signal eine harmonische Oberschwingung der Grundschwingung ist, wobei
- dass die Ergebnisse mehrere zeitlich aufeinanderfolgender Fourier- Transformationen gemeinsam ausgewertet werden,
- für die jeweilige Frequenz ein Mittelwert der komplexwertigen Ergebnisse der Fourier-Transformation gebildet wird,
- der Betrag, oder das Betragsquadrat, dieses Mittelwerts mit dem arithmetischen oder geometrischen Mittelwert des Betrags, oder des Betragsquadrates, der komplexwertigen Ergebnisse der Fourier-Transformation in Bezug zueinander gesetzt oder verglichen wird.
System nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, weiterhin aufweisend Mittel zur
Bestimmung und Auswertung von Kurzzeitspektren synchronisiert mit der
Phasenlage der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals , wobei:
- dass das Signal im Zeitbereich für die Dauer einer Grundschwingung jeweils in überlappende Segmente eingeteilt wird, welche durch die jeweilige Phasenlage zur Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals zu unterscheiden sind,
- eine Fensterung und Fourier-Transformation dieser Segmente durchgeführt wird,
- die Ergebnisse dieser Transformation von Segmenten mit der gleichen
Phasenlage mit Werkzeugen der Stochastik gemeinsam analysiert werden.
System nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, weiterhin aufweisend Mittel zur
Bestimmung der Komponente eines Ersatzmodelles, wobei dass mehrere Messungen mit unterschiedlichen Leitungsabschluss und/oder Testsignalgenerator durchgeführt werden,
die Werte der Komponenten des Ersatzmodelles aus den Verhältnissen der Werte nach der Fourier-Transformation bestimmt werden,
parasitäre Effekte des Aufbaus durch eine Messung mit Normalen ermittelt und bei der Bestimmung der Werte für die Komponenten des Ersatzmodells berücksichtigt werden.
Verfahren zur Messung der elektrischen Eigenschaften am Anschlusspunkt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen Erzeugern, Verbrauchern oder Teilnetzen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- erfassen und digitalisieren von Strömen und Spannungen an mehreren Kanälen,
- bereitstellen eines gemeinsamen Taktes für die Abtastung in allen Kanälen, wobei der Takt von den zu messenden Eigenschaften unabhängig ist,
- Verwenden einer sich im Betrieb an die Frequenz und Phasenlage der
Grundschwingung eines als Referenz definierten Kanals anpassende
Abtastratenkonvertierung, welche zu einer konstanten Anzahl von Abtastwerten pro Grundschwingung führt,
- anwenden einer Fourier-Transformation mit vorheriger Fensterung, wobei mit der Dauer der Grundschwingung periodische Signale durch die Fensterung unverändert bleiben, die Trennschärfe für nicht periodische Signale erhöht und jeder Abtastwert vollständig von der Messauswertung erfasst wird.
- berechnen und auswerten zusätzliche Werte aus der Kombination der
Ergebnisse der Fourier-Transformation von mehreren Kanälen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Fensterung größer ist als das
Auswertefenster, die einzelne Abtastwerte individuell gewichtet und mit jeweils ebenfalls gewichteten Abtastwerten einer Periode der Grundschwingung addiert werden, wobei jeder einzelne Abtastwert wird in der Summe der Anteile, welche durch die Gewichtung auf verschieden Auswertefenster verteilt werden, vollständig von der Messauswertung erfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, welches zusätzlich die aktuelle Frequenz der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals bestimmt, wobei - eine Regelung eingesetzt wird,
- zur Gewinnung der Regelgröße die Phase, Real- oder Imaginär-Teil oder darin überführbare Darstellung des Ergebnisses der Fourier-Transformation für die Grundschwingung verwendet wird,
- die Stellgröße zur Anpassung der Abtastratenkonvertierung verwendet wird
- die Frequenz der Grundschwingung aus der Stellgröße oder innerhalb des
Reglers vorhandenen Größen berechnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, welches zusätzlich für jede Frequenz identifiziert, ob das Signal eine harmonische Oberschwingung der Grundschwingung ist, wobei
- die Ergebnisse mehrere zeitlich aufeinanderfolgender Fourier-Transformationen gemeinsam ausgewertet werden,
- für die jeweilige Frequenz ein Mittelwert der komplexwertigen Ergebnisse der Fourier-Transformation gebildet wird,
- der Betrag, oder das Betragsquadrat, dieses Mittelwerts mit dem arithmetischen oder geometrischen Mittelwert des Betrags, oder des Betragsquadrates, der komplexwertigen Ergebnisse der Fourier-Transformation in Bezug zueinander gesetzt oder verglichen wird. 1. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, welches zusätzlich synchronisiert mit der Phasenlage der Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals
Kurzzeitspektren bestimmt und auswertet, wobei
- das Signal im Zeitbereich für die Dauer einer Grundschwingung jeweils in
überlappende Segmente eingeteilt wird, welche durch die jeweilige Phasenlage zur Grundschwingung des als Referenz definierten Kanals zu unterscheiden sind,
- eine Fensterung und Fourier-Transformation dieser Segmente durchgeführt wird,
- die Ergebnisse dieser Transformation von Segmenten mit der gleichen
Phasenlage mit Werkzeugen der Stochastik gemeinsam analysiert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, welches zusätzlich die Komponente eines Ersatzmodelles bestimmt, wobei
mehrere Messungen mit unterschiedlichen Leitungsabschluss und oder Testsignalgenerator durchgeführt werden,
die Werte der Komponenten des Ersatzmodelles aus den Verhältnissen der Werte nach der Fourier-Transformation bestimmt werden,
parasitäre Effekte des Aufbaus durch eine Messung mit Normalen ermittelt und bei der Bestimmung der Werte für die Komponenten des Ersatzmodells berücksichtigt werden.
PCT/EP2017/000235 2016-02-26 2017-02-17 Anordnung zur messung der elektrischen eigenschaften am anschlusspunkt eines elektrischen energieversorgungsnetzes, von daran angeschlossenen erzeugern, verbrauchern oder teilnetzen WO2017144165A1 (de)

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