WO2017182070A1 - Messvorrichtung mit messwiderstand und optischer signalübertragung - Google Patents

Messvorrichtung mit messwiderstand und optischer signalübertragung Download PDF

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WO2017182070A1
WO2017182070A1 PCT/EP2016/058757 EP2016058757W WO2017182070A1 WO 2017182070 A1 WO2017182070 A1 WO 2017182070A1 EP 2016058757 W EP2016058757 W EP 2016058757W WO 2017182070 A1 WO2017182070 A1 WO 2017182070A1
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WO
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measuring
optical
unit
electrical
measuring device
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PCT/EP2016/058757
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Michael Hofstetter
Ludwig HÜGELSCHÄFER
Andreas Philipp
Jochen SCHÄFER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/146—Measuring arrangements for current not covered by other subgroups of G01R15/14, e.g. using current dividers, shunts, or measuring a voltage drop

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for measuring an electrical current in an electrical line with a measuring resistor which can be inserted into the electrical line.
  • Such a measuring device is known for example from DE 10 2006 034 580 AI.
  • the known measuring device comprises a shunt which is inserted in an electrical line. The voltage dropping across the shunt provides a measurement signal which is proportional to the current to be measured.
  • measuring devices which use current transducers to generate a measuring signal. These include, for example, the so-called resistive capacitive voltage transformers (RCVT). These measuring devices can be used in particular for measuring an alternating current. They have the disadvantage that their measuring frequency is limited by the inductance of the transducer. Furthermore, the measuring accuracy of such measuring devices is dependent on the frequency of the alternating current.
  • the object of the invention is to provide a measuring apparatus for measuring an electrical current in an electrical line, which is relatively inexpensive and ⁇ equal to a reliable measurement both in the field of high voltage alternating current (HVAC) and high-voltage direct current (HVDC) allowed.
  • HVAC high voltage alternating current
  • HVDC high-voltage direct current
  • the object is in an artloomen measuring device by an arranged at high voltage potential electro-optical unit for converting a current-dependent electrical measurement signal generated at the measuring resistor into an optical measurement signal, an optical transmission line for transmitting the optical measurement signal from the high voltage potential to Erd ⁇ potential level and a Erddotenzialnah or Erdpotenti ⁇ al arranged optoelectric unit for converting the transmitted optical measurement signal into an electrical output signal solved.
  • the combination of a current measurement based on a measuring resistor and an optical measured value transmission greatly expands the possible field of application of the measuring device according to the invention compared with the known measuring devices.
  • ⁇ proper measuring device particularly well-use technologies to different high voltage systems adjust how high-voltage direct current transmission systems and changing un- ter Kunststoffaji voltage levels.
  • the measuring device according to the invention offers reliable current measurement in a particularly wide variety of applications.
  • a particular advantage of the measuring device according to the invention is the simple insulation between the high-voltage potential and the near-earth potential (ie, slightly less than 100 V).
  • the measuring resistor is, for example, in a high voltage insertable, which is arranged as overhead line (overhead line) at the height of several meters above the ground.
  • Easy isolation of the measuring resistance of an off ⁇ evaluation unit which evaluates the output signal by the iso- lating optical transmission line allows the use of the measuring device in the field of ultra-high voltages, that is voltage of over 400 kV. This isolation is particularly easy to higher voltages, eg. Voltages above 800 kV and 1100 kV transmitted. For this purpose, only a corresponding extension of the optical transmission line is necessary in principle.
  • the optical transmission line may comprise, for example, one or more optical fibers or optical waveguides.
  • the signal transmission can also take place over greater distances, without having to fear major disruptions of the transmission.
  • the measuring apparatus allows a Mes ⁇ solution of alternating currents, especially those which have high-frequency components and / or direct-current components.
  • the measuring resistor which may be present as a low-impedance shunt known to the person skilled in the art, is detachably installed, for example by means of suitable screws, in the high-voltage line, for example.
  • the sensor may include an electronic data processing unit, the measured values generated at the measuring resistor, can at ⁇ game as voltage values, edit.
  • the processed or unprocessed measured values are expediently passed to the electro-optical unit.
  • the electro-optical unit converts, for example by means of a light emitting diode present as an electrical signal measurement signal in an optical Signal around. Subsequently, the optical measuring signal is fed into the optical transmission line.
  • the opto-electrical unit receives the measurement signal and converts it beispielswei ⁇ se by means of a photodiode, back into an electrical signal.
  • the converted electrical measurement signal is considered to be
  • the evaluation unit may be a data processing system for evaluating the output signal.
  • the data processing system is configured, for example, to subject the output signal to digital signal processing and to transmit it to further, remote data processing systems.
  • the optical processing system is configured, for example, to subject the output signal to digital signal processing and to transmit it to further, remote data processing systems.
  • the insulating unit may be an insulator column at ⁇ play, which is adapted for supporting a high voltage conductor of the high-voltage line.
  • the insulator unit is suitably hollow, so that the optical transmission line inside the
  • Isolator unit can be arranged. In this way, ei ⁇ ne particularly simple and space-saving arrangement of the measuring device is provided, the transmission line is particularly well protected against external environmental influences.
  • the insulator unit may comprise an isolator foot which is supported on the ground.
  • the base unit game includes the data processing system at ⁇ .
  • the base unit can be arranged on or in the insulator foot.
  • To the delegation ⁇ supply line extends expediently essentially between the power line and the base unit.
  • the opto-electrical unit is arranged in the base unit.
  • the measuring device comprises an analog-to-digital converter, which is set up for digitizing the electrical measuring signal.
  • the measurement signal generated at the measuring resistor is usually initially present as an analog signal.
  • a conversion of the analog signal into a digital signal advantageously allows an improved Signalverar ⁇ processing and transmission.
  • the digitized signal may be filtered prior to transmission over Darue ⁇ addition, for example, by means of a low-pass filter and / or an EMI filter (electromagnetic interference filter).
  • the measuring device comprises a power supply unit for Energyversor ⁇ tion of the electro-optical unit, wherein the Energyversor- supply unit comprises an optical supply line with ⁇ means of a near-earth potential generated light signal to the electro-optical unit is transferable.
  • the measuring device from a Sullivansba- overbased power supply is independent. In this way, the measuring device can also be in operation when the high-voltage line is switched off, for example when the line is switched on.
  • the light signal may be provided for example by a continu ⁇ ierliches or pulsed laser light.
  • the power supply unit for the energy supply may further current-consuming components of the measuring device used, for example, the filter
  • the measuring device for measured value detection is set up with a detection frequency of at least 30 kHz.
  • the detection frequency is understood as the frequency with which measured values are generated at the measuring resistor and transmitted with the transmission line. It is known that with increasing detection frequency of the energy consumption of the components of the measuring device, in particular the sensor and the electro-optical unit increases. Thus, the energy consumption is against the temporal accuracy of the measurement ab- weighed up.
  • the present solution enables Er chargedsfre acid sequence also above 30 kHz, which is particularly advantageous in the on ⁇ application in connection with modular Mehrmenumrichtern.
  • a monitoring unit which is set up to report a malfunction of the measuring device to a higher-level control device. For example, in case of exceeding or falling below a predetermined threshold value by the measured values, a warning signal can be sent to a higher-level STEU ⁇ eratti. In this way, the risk of failure or malfunction of the measuring device itself or a connected high-voltage system can be reduced.
  • the invention further relates to a method for measuring a current in a high voltage line.
  • the object of the invention is to allow in the broadest possible application egg ne reliable power measurement vorzu such a process ⁇ beat.
  • the object is achieved by a method for measuring a current in a power line in which a current-dependent electrical measurement signal is generated by means of an inserted into the high-voltage line measuring resistor, the electrical measurement signal optical in a by means of a arranged at a high voltage Spoten ⁇ potential electro-optic device Measuring signal is converted, the optical measuring signal is transmitted by means of an optical transmission line to an earth potential near the optoelectric unit, and the optical measuring signal is converted by means of the optoelectric unit into an electrical output signal.
  • the invention further relates to a converter arrangement with a modular multi-stage converter and a measuring device for measuring a current in the converter arrangement.
  • a modular multi-stage converter (MMC) is already known for example from WO 2012/103936 AI. It is used as a conventional ⁇ to convert a DC voltage into AC voltage ⁇ or vice versa.
  • the modular multi-stage converter between a DC side and an AC side arranged on flow valves.
  • the flow control valves are also referred to as phase modules in this context.
  • Each phase module in a MMC comprises a series connection of two-pole submodules.
  • Each submodule comprises at least two semiconductor switches and one energy store.
  • the sub-modules can be configured for example as to the person ⁇ man known half-bridge circuits or Voll stipulatenschal- obligations.
  • the modu ⁇ lar multi-stage converter On the DC voltage side, the modu ⁇ lar multi-stage converter is connected to a DC voltage line or a DC voltage network, AC side of an AC voltage network. Due to the modular design and the energy storage devices distributed to the submodules, a step-by-step voltage curve can be generated on the alternating voltage side. be generated, which is almost sinusoidal.
  • the known converter arrangement requires at least one measuring device for current measurement of the current flowing in the MMC, the DC voltage side of the MMC and the AC voltage side of the MMC.
  • the object of the invention is to provide a species-appropriate
  • the measuring device comprises the following components: a measuring resistor, which is inserted into a high voltage line, an arranged on high voltage potential electro-optical unit for Umwan ⁇ spindles of a signal generated at the measuring resistor current-dependent electrical measurement signal to an optical measurement signal, an optical ⁇ specific transmission line for transmitting the optical measurement signal from the high voltage potential to ground potential level and an optoelectrical unit disposed near the earth potential for converting the transmitted optical measurement signal into an electrical output signal.
  • An advantage of the converter arrangement according to the invention is that both the high-frequency current components and the direct currents in the converter arrangement can be reliably and accurately measured.
  • the advantage of a particularly ⁇ reliab control of the MMC results. This is because the stepped form of the AC-side currents at the MMC generates high-frequency components of the inverter currents.
  • the measuring device allows the particular reliabil ⁇ SiGe control of the MMC.
  • Figure 1 shows an embodiment of a measuring device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a converter arrangement according to the invention in a schematic representation.
  • the measuring device 1 comprises a measuring resistor 2 which is inserted into a high-voltage line, in the present example a busbar 3.
  • the busbar 3 and thus also the measuring resistor 2 are in operation according to the example shown in Figure 1 at a Hochthesespo ⁇ potential of 380 kV.
  • the measuring device 1 further comprises a sensor unit 4, which is connected on the input side to the measuring resistor 2.
  • the sensor unit 4 is also at Hochhardspotenzi ⁇ al.
  • the sensor unit 4 receives the measuring resistor 2 er ⁇ he testified analog measurement signal.
  • the sensor unit 4 has an analog processing unit 41.
  • the measurement signal is passed to the analog processing unit 41, where it is subjected to EMI filtering and anti-aliasing filtering.
  • the processed analog measurement signal is passed to an analog-to-digital converter 42, by means of which the measurement signal is digitized and further processed.
  • the sensor unit 4 further comprises an optical communication unit 43 with an electro-optical unit 44 which is connected on the input side to the A / D converter 42.
  • the electro- Table 44 the digital electrical measurement signal is converted into an optical measurement signal and fed into an optical transmission line 5, which is present as a data fiber.
  • the measurement signal is transmitted to a base unit 6.
  • the transmission line 5 is arranged in an insulator column 7.
  • the insulator column 7 serves to insulate the high voltage line 3 from the earth potential.
  • the base unit 6 is angeord ⁇ net in a Isolatorfuß 61, it is therefore at ground potential.
  • the base unit 6 comprises an electro-optical unit 8.
  • the electro-optical unit 8 converts the optical measuring signal into an electrical output signal, which can be sent to an internal or external data processing system for further evaluation.
  • the base unit 6 further includes a power supply unit 9.
  • the power supply unit 9 converts energy of an external power source into a laser light.
  • the laser light is transmitted by means of an optical supply line 10 to a receiving unit 11 and to the electro-optical unit 44 ⁇ .
  • FIG. 2 shows a converter arrangement 15.
  • the converter arrangement 15 comprises a converter 16 which is connected between an AC voltage connection 17 and a DC voltage connection 18.
  • the inverter 16 is the DC side with a DC voltage line or a DC voltage network, the AC side connected to an AC voltage network.
  • the inverter 16 is a modular multi-stage converter (MMC).
  • the MMC has phase modules 21-26 arranged between the DC side and the AC side.
  • Each phase module includes a series connection of two poli ⁇ gen sub-modules 27 and a smoothing reactor 28.
  • a series connection of two poli ⁇ gen sub-modules 27 and a smoothing reactor 28 In the figure in 2 embodiment illustrated are made up each of the submodules 27 similarly, although this is generally not erfor ⁇ sary.
  • broken lines 29 it is indicated in FIG. 2 that each phase module 21-26 can have a larger number of submodules than the two submodules 27 explicitly shown in FIG.
  • Each submodule 27 includes two semiconductor switches 30, which in each case a freewheel diode is connected in antiparallel 301 ⁇ wells, and an energy storage device in the form of a capacitor 31.
  • the sub ⁇ module 27 are formed as half-bridge circuits.
  • the semiconductor switches 30 of the submodules 27 are independently controllable.
  • the inverter assembly 15 further includes measuring devices 321-330. The measuring devices are used for the detection of
  • the converter arrangement also includes voltage meters, which, however, are not explicitly shown in FIG.
  • At least one of the measuring devices 321-330 is a measuring device according to the exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • the measuring devices 321-330 are connected on the output side to a regulating device for regulating the converter 16.
  • the individual connections are not explicitly shown in FIG. 2 for reasons of clarity.
  • the off ⁇ output signals of the measuring devices 321-330 are thus forwarded to the control device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zum Messen eines elektrischen Stromes in einer elektrischen Leitung (3) mit einem Messwiderstand (2), der in die elektrische Leitung einfügbar ist. Die Erfindung zeichnet sich durch eine auf Hochspannungspotenzial angeordnete elektrooptische Einheit (44) zum Umwandeln eines am Messwiderstand (2) erzeugten stromabhängigen elektrischen Messsignals in ein optisches Messsignal, eine optische Übertragungsleitung (5) zum Übertragen des optischen Messsignals vom Hochspannungspotenzial auf Erdpotenzialniveau und eine erdpotenzialnah angeordnete optoelektrische Einheit (8) zum Umwandeln des übertragenen optischen Messsignals in ein elektrisches Ausgangssignal aus. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Strommessung mittels der Messvorrichtung sowie eine Umrichteranordnung mit einem Umrichter und der Messvorrichtung.

Description

Beschreibung
MESSVORRICHTUNG MIT MESSWIDERSTAND UND OPTISCHER SIGNALÜBERTRAGUNG Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes in einer elektrischen Leitung mit einem Messwiderstand, der in die elektrische Leitung einfügbar ist.
Eine solche Messvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2006 034 580 AI bekannt. Die bekannte Messvorrichtung umfasst einen Shunt, der in eine elektrische Leitung eingefügt ist. Die am Shunt abfallende Spannung liefert ein Messsignal, das proportional zu dem zu messenden Strom ist. Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik im Bereich der Hochspannung, d.h. im Spannungsbereich oberhalb von 100 kV, Messvorrichtungen bekannt, die Strom-Messwandler zur Erzeugung eines Messsignals einsetzen. Dazu gehören beispielsweise die sogenannten Resistive Capacitive Voltage Transformer (RCVT) . Diese Messvorrichtungen können insbesondere zur Messung eines Wechselstromes verwendet werden. Sie weisen den Nachteil auf, dass ihre Messfrequenz durch die Induktivität des Messwandlers begrenzt ist. Ferner ist die Messgenauigkeit solcher Messvorrichtungen von der Frequenz des Wechselstromes abhängig.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Messsysteme be¬ kannt, die eine Nullfluss-Anordnung (Zero Flux Systems) ein¬ setzen. Dabei erzeugt der elektrische Strom durch die Hoch- spannungsleitung ein Magnetfeld, das von einem Magnetfeld ei¬ nes um oder an der Hochspannungsleitung angeordneten strom- durchflossenen Messkopfes kompensiert wird. Auf diese Weise kann ein zum Strom in der Hochspannungsleitung proportionales Messsignal gewonnen werden. Diese Messsyteme sind mit dem Nachteil der hohen Kosten aufgrund von komplexen Isolations¬ anforderungen behaftet. Zudem ist es bekannt, dass solche Messsysteme bei Gleichspannungsanteilen und hochfrequenten Wechselspannungsanteilen relativ ungenau werden können oder verzerrte Messsignale liefern können.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes in einer elektrischen Leitung vorzuschlagen, die relativ kostengünstig ist und zu¬ gleich eine zuverlässige Messung sowohl im Bereich von Hochspannungswechselstrom (HVAC) als auch Hochspannungsgleichstrom (HVDC) erlaubt.
Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Messvorrichtung durch eine auf Hochspannungspotenzial angeordnete elektrooptische Einheit zum Umwandeln eines am Messwiderstand erzeugten stromabhängigen elektrischen Messsignals in ein optisches Messsignal, eine optische Übertragungsleitung zum Übertragen des optischen Messsignals vom Hochspannungspotenzial auf Erd¬ potenzialniveau und eine erdpotenzialnah bzw. auf Erdpotenti¬ al angeordnete optoelektrische Einheit zum Umwandeln des übertragenen optischen Messsignals in ein elektrisches Aus- gangssignal gelöst.
Durch die Kombination einer auf einem Messwiderstand basierten Strommessung und einer optischen Messwertübertragung ist das mögliche Einsatzfeld der erfindungsgemäßen Messvorrich- tung gegenüber den bekannten Messvorrichtungen stark erweitert. Wie nachstehend beschrieben, lässt sich die erfindungs¬ gemäße Messvorrichtung besonders gut an unterschiedliche Technologien nutzende Hochspannungssysteme anpassen, wie Hochspannungsgleich- und wechselstromübertragunganlagen un- terschiedlicher Spannungsniveaus. Zugleich bietet die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine zuverlässige Strommessung in einer besonders großen Vielzahl von Anwendungen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die einfache Isolierung zwischen dem Hochspannungspotenzial und dem erdnahen Potenzial (also etwas kleiner als 100 V) . Der Messwiderstand ist beispielsweise in eine Hochspan- nungsleitung einfügbar, die als Freileitung (overhead line) in Höhe von mehreren Metern über dem Erdboden angeordnet ist. Die einfache Isolierung des Messwiderstandes von einer Aus¬ werteeinheit, die das Ausgangssignal auswertet durch die iso- lierende optische Übertragungsleitung erlaubt den Einsatz der Messvorrichtung auch im Bereich von Ultra-Hochspannungen, d.h. Spannung von über 400 kV. Diese Isolation lässt sich insbesondere leicht auf höhere Spannungen, bsp. Spannungen oberhalb von 800 kV und 1100 kV, übertragen. Dazu ist prinzi- piell lediglich eine entsprechende Verlängerung der optischen Übertragungsleitung notwendig.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die einfache und zuverlässige Signalübertragung des Mess- signals mittels der optischen Übertragungsleitung. Die optische Übertragungsleitung kann dabei beispielsweise eine oder mehrere optische Fasern bzw. Lichtwellenleiter umfassen. Die Signalübertragung kann auch über größere Distanzen erfolgen, ohne dass größere Störungen der Übertragung befürchtet werden müssten.
Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Mes¬ sung von Wechselströmen, insbesondere auch solchen, die hochfrequente Anteile und/oder Gleichstromanteile aufweisen.
Der Messwiderstand, der als ein dem Fachmann bekannter niederohmiger Shunt vorliegen kann, ist beispielsweise in die Hochspannungsleitung lösbar eingebaut, beispielsweise mittels geeigneter Schrauben. Der Messwiderstand weist
geeigneterweise Anschlüsse zum Anschluss eines Sensors auf. Der Sensor kann eine elektronische Datenverarbeitungseinheit umfassen, die am Messwiderstand erzeugte Messwerte, bei¬ spielsweise Spannungswerte, bearbeiten kann. Die bearbeiteten oder unbearbeiteten Messwerte werden zweckmäßigerweise an die elektrooptische Einheit geleitet. Die elektrooptische Einheit wandelt, beispielsweise mittels einer Leuchtdiode das als elektrisches Signal vorliegende Messsignal, in ein optisches Signal um. Anschließend wird das optische Messignal in die optische Übertragungsleitung eingespeist. Die optoelektrische Einheit empfängt das Messsignal und wandelt es, beispielswei¬ se mittels einer Fotodiode, zurück in ein elektrisches Signal um. Das umgewandelte elektrische Messsignal wird als ein
Ausgangssinai beispielsweise an die Auswerteeinheit ausgege¬ ben .
Die Auswerteeinheit kann eine Datenverarbeitungsanlage zum Auswerten des Ausgangssignals sein. Die Datenverarbeitungsanlage ist beispielsweise dazu eingerichtet, das Ausgangssignal einer digitalen Signalverarbeitung zu unterziehen und an weitere, entfernte Datenverarbeitungsanlagen zu übertragen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die optische
Übertragungsleitung in einer Isolatoreinheit angeordnet, die die Hochspannungsleitung von einer erdpotenzialnah angeordneten Basiseinheit isoliert. Die Isolatoreinheit kann bei¬ spielsweise eine Isolatorsäule sein, die zur Abstützung eines Hochspannungsleiters der Hochspannungsleitung eingerichtet ist. Die Isolatoreinheit ist geeigneterweise hohl, so dass die optische Übertragungsleitung im Inneren der
Isolatoreinheit angeordnet sein kann. Auf diese Weise ist ei¬ ne besonders einfache und platzsparende Anordnung der Mess- Vorrichtung bereitgestellt, wobei die Übertragungsleitung besonders gut gegenüber äußeren Umwelteinflüssen geschützt ist. Die Isolatoreinheit kann einen Isolatorfuß umfassen, der am Untergrund abgestützt ist. Die Basiseinheit umfasst bei¬ spielsweise die Datenverarbeitungsanlage. Die Basiseinheit kann am oder im Isolatorfuß angeordnet sein. Die Übertra¬ gungsleitung erstreckt sich zweckmäßigerweise im Wesentlichen zwischen der Hochspannungsleitung und der Basiseinheit.
Bevorzugt ist die optoelektrische Einheit in der Basiseinheit angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung einen Analog- Digital-Wandler, der zum Digitalisieren des elektrischen Messsignals eingerichtet ist. Das am Messwiderstand erzeugte Messsignal liegt üblicherweise zunächst als ein analoges Sig- nal vor. Eine Umwandlung des analogen Signals in ein Digitales Signal erlaubt vorteilhaft eine verbesserte Signalverar¬ beitung und Übertragung. Das digitalisierte Signal kann darü¬ ber hinaus vor der Übertragung gefiltert werden, beispielsweise mittels eines Tiefpassfilters und/oder eines EMI- Filters (Electromagnetic Interference Filter) .
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung eine Energieversorgungseinheit zur Energieversor¬ gung der elektrooptischen Einheit, wobei die Energieversor- gungseinheit eine optische Versorgungsleitung umfasst, mit¬ tels der ein erdpotenzialnah erzeugtes Lichtsignal an die elektrooptische Einheit übertragbar ist. Mit der Energieer¬ zeugungseinheit ist die Messvorrichtung von einer leitungsba- sierten Stromversorgung unabhängig. Damit kann die Messvor- richtung auch bei einer abgeschalteten Hochspannungsleitung, beispielsweise bei einer Leitungszuschaltung, in Betrieb sein. Das Lichtsignal kann beispielsweise durch ein kontinu¬ ierliches oder gepulstes Laserlicht gegeben sein. Selbstver¬ ständlich kann die Energieversorgungseinheit zur Energiever- sorgung weiterer stromverbrauchender Komponenten der Messvorrichtung eingesetzt werden, beispielsweise der Filter
und/oder des A/D Wandlers
Bevorzugt ist die Messvorrichtung zu Messwerterfassung mit einer Erfassungsfrequenz von mindestens 30 kHz eingerichtet. Dabei wird die Erfassungsfrequenz als diejenige Frequenz verstanden, mit der Messwerte am Messwiderstand erzeugt und mit der Übertragungsleitung übertragen werden. Es ist bekannt, dass mit steigender Erfassungsfrequenz der Energieverbrauch der Komponenten der Messvorrichtung, insbesondere des Sensors und der elektrooptischen Einheit, steigt. Damit ist der Energieverbrauch gegen die zeitliche Genauigkeit der Messung ab- zuwägen. Die vorliegende Lösung erlaubt eine Erfassungsfre¬ quenz auch oberhalb von 30 kHz, was insbesondere in der An¬ wendung im Zusammenhang mit modularen Mehrstufenumrichtern vorteilhaft ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Überwachungseinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Fehlfunktion der Messvorrichtung an eine übergeordnete Steuerungseinrichtung zu melden. Beispielsweise bei Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellenwertes durch die Messwerte kann ein Warnsignal an eine übergeordnete Steu¬ ereinheit gesendet werden. Auf diese Weise kann das Risiko eines Ausfalls oder einer Fehlfunktion der Messvorrichtung selbst oder einer angeschlossenen Hochspannungsanlage gesenkt werden.
Zur Kostensenkung ist es ebenfalls denkbar, an Stellen gleichen Potenzials, beispielsweise an Sammelschienen mit mehre¬ ren Abgängen, in denen jeder Abgang einen eigenen Messwider- stand aufweist, einen einzelnen Sensor zur Verarbeitung des Messignals mit mehreren analogen Eingängen vorzusehen. Die Eingänge sind dann jeweils für eine geringe Spannungsdiffe¬ renz (im Niederspannungsbereich) gegeneinander isoliert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen eines Stromes in einer Hochspannungsleitung.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein solches Verfahren vorzu¬ schlagen, das in einem möglichst breiten Anwendungsgebiet ei- ne zuverlässige Strommessung zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Messen eines Stromes in einer Hochspannungsleitung gelöst, bei dem mittels eines in die Hochspannungsleitung eingefügten Messwiderstandes ein stromabhängiges elektrisches Messsignal erzeugt wird, das elektrische Messsignal mittels einer auf Hochspannungspoten¬ zial angeordneten elektrooptischen Einheit in ein optisches Messsignal umgewandelt wird, das optische Messsignal mittels einer optischen Übertragungsleitung an eine erdpotenzialnah angeordnete optoelektrische Einheit übertragen wird, und das optische Messsignal mittels der optoelektrischen Einheit in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den bereits zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
Insbesondere ist erfindungsgemäß ein Verfahren bereitge¬ stellt, das eine zuverlässige Messung von Gleich- und Wech¬ selströmen unter Hoch- und Ultra-Hochspannungsbedingungen erlaubt .
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Umrichteranordnung mit einem modularen Mehrstufenumrichter und einer Messvorrichtung zum Messen eines Stromes in der Umrichteranordnung. Ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC) ist beispielsweise aus der WO 2012/103936 AI bereits bekannt. Er wird üblicher¬ weise dazu eingesetzt, eine Gleichspannung in eine Wechsel¬ spannung oder umgekehrt umzuwandeln. Dazu weist der modulare Mehrstufenumrichter zwischen einer Gleichspannungsseite und einer Wechselspannungsseite angeordnete Stromventile auf. Die Stromventile werden in diesem Zusammenhang auch als Phasenmodule bezeichnet. Jedes Phasenmodul umfasst bei einem MMC eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen. Jedes Submodul umfasst wenigstens zwei Halbleiterschalter und einen Energie- Speicher. Die Submodule können beispielsweise als dem Fach¬ mann bekannte Halbbrückenschaltungen oder Vollbrückenschal- tungen ausgebildet sein. Gleichspannungsseitig ist der modu¬ lare Mehrstufenumrichter mit einer Gleichspannungsleitung bzw. einem Gleichspannungsnetz, wechselspannungsseitig einem Wechselspannungsnetz verbindbar. Aufgrund der modularen Bauweise und der auf die Submodule verteilten Energiespeicher kann wechselspannungsseitig ein stufiger Spannungsverlauf er- zeugt werden, der nahezu sinusförmig ist. Zur Regelung des Spannungsverlaufes benötigt die bekannte Umrichteranordnung wenigstens eine Messvorrichtung zur Strommessung des im MMC, gleichspannungsseitig des MMC und wechselspannungsseitig des MMC fließenden Stromes.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine artgemäße
Umrichteranordnung vorzuschlagen, die möglichst zuverlässig in Betrieb ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messvorrichtung folgende Komponenten umfasst: einen Messwiderstand, der in eine Hochspannungsleitung einfügbar ist, eine auf Hochspannungspotenzial angeordnete elektrooptische Einheit zum Umwan¬ deln eines am Messwiderstand erzeugten stromabhängigen elektrischen Messsignals in ein optisches Messsignal, eine opti¬ sche Übertragungsleitung zum Übertragen des optischen Messsignals vom Hochspannungspotenzial auf Erdpotenzialniveau und eine erdpotenzialnah angeordnete optoelektrische Einheit zum Umwandeln des übertragenen optischen Messsignals in ein elektrisches Ausgangssignal.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung besteht darin, dass sowohl die hochfrequenten Stromanteile als auch die Gleichströme in der Umrichteranordnung zuverlässig und genau gemessen werden können. Ganz besonders im Zusammenwirken mit einem MMC ergibt sich der Vorteil einer besonders zu¬ verlässigen Regelung des MMC. Denn durch die Stufenform der wechselspannungsseitigen Ströme am MMC entstehen hochfrequen- te Anteile der Umrichterströme. Zugleich weisen die
Umrichterströme im MMC Gleichspannungsanteile auf. Die zuver¬ lässige Messung dieser Umrichterströme mittels der erfin¬ dungsgemäßen Messvorrichtung erlaubt die besonders zuverläs¬ sige Regelung des MMC.
Im Übrigen können alle zuvor beschriebenen Varianten und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung selbst- verständlich auch in der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung realisiert werden.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemä¬ ßen Messvorrichtung und der erfindungsgemäßen
Umrichteranordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung.
Im Einzelnen ist in Figur 1 eine Messvorrichtung 1 gezeigt. Die Messvorrichtung 1 umfasst einen Messwiderstand 2, der in eine Hochspannungsleitung, im vorliegenden Beispiel eine Sammelschiene 3, eingefügt ist. Die Sammelschiene 3 und somit auch der Messwiderstand 2 befinden sich gemäß dem in Figur 1 dargestellten Beispiel im Betrieb auf einem Hochspannungspo¬ tenzial von 380 kV.
Die Messvorrichtung 1 umfasst ferner eine Sensoreinheit 4, die eingangsseitig mit dem Messwiderstand 2 verbunden ist.
Die Sensoreinheit 4 liegt ebenfalls auf Hochspannungspotenzi¬ al. Die Sensoreinheit 4 empfängt das am Messwiderstand 2 er¬ zeugte analoge Messsignal. Die Sensoreinheit 4 weist einen analoge Verarbeitungseinheit 41. Das Messsignal wird an die analoge Verarbeitungseinheit 41 geleitet, wo es einer EMI- Filterung und einer anti-alias-Filterung unterzogen wird. Anschließend wird das bearbeitete analoge Messsignal an einen Analog-Digital-Wandler 42 geleitet, mittels dessen das Messsignal digitalisiert und weiter bearbeitet wird. Die Sensor- einheit 4 umfasst ferner eine optische Kommunikationseinheit 43 mit einer elektrooptischen Einheit 44, die eingangsseitig mit dem A/D-Wandler 42 verbunden ist. Mittels der elektroop- tischen Einheit 44 wird das digitale elektrische Messsignal in ein optisches Messsignal umgewandelt und in eine optische Übertragungsleitung 5, die als Datenfaser vorliegt, eingespeist .
Mittels der Übertragungsleitung 5 wird das Messsignal an eine Basiseinheit 6 übertragen. Die Übertragungsleitung 5 ist in einer Isolatorsäule 7 angeordnet. Die Isolatorsäule 7 dient zu einer Isolierung der Hochspannungsleitung 3 vom Erdpoten- zial. Die Basiseinheit 6 ist in einem Isolatorfuß 61 angeord¬ net, sie liegt demnach auf Erdpotenzial. Die Basiseinheit 6 umfasst eine elektrooptische Einheit 8. Die elektrooptische Einheit 8 wandelt das optische Messsignal in ein elektrisches Ausgangssignal, das an eine interne oder externe Datenverar- beitungsanlage zur weiteren Auswertung geleitet werden kann.
Die Basiseinheit 6 umfasst ferner eine Energieversorgungseinheit 9. Die Energieversorgungseinheit 9 wandelt Energie einer externen Energiequelle in ein Laserlicht. Das Laserlicht wird mittels einer optischen Versorgungsleitung 10 an eine Empfangseinheit 11 und an die elektrooptische Einheit 44 über¬ tragen. Auf diese Weise wird eine Energieversorgung der Sensoreinheit 4 und deren Komponenten bereitgestellt. In Figur 2 ist eine Umrichteranordnung 15 dargestellt. Die Umrichteranordnung 15 umfasst einen Umrichter 16, der zwischen einem Wechselspannungsanschluss 17 und einem Gleich- spannungsanschluss 18 geschaltet ist. Damit ist der Umrichter 16 gleichspannungsseitig mit einer Gleichspannungsleitung bzw. einem Gleichspannungsnetz, wechselspannungsseitig mit einem Wechselspannungsnetz verbindbar. Der Umrichter 16 ist ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC) . Der MMC weist zwischen der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite angeordnete Phasenmodule 21-26 auf.
Jedes Phasenmodul umfasst eine Reihenschaltung von zweipoli¬ gen Submodulen 27 sowie eine Glättungsdrossel 28. Im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Submodule 27 gleichartig aufgebaut, was jedoch im Allgemeinen nicht erfor¬ derlich ist. Mittels unterbrochener Linien 29 ist in Figur 2 angedeutet, dass jedes Phasenmodul 21-26 eine größere Anzahl von Submodulen aufweisen kann als die in Figur 2 explizit dargestellten zwei Submodule 27.
Jedes Submodul 27 umfasst zwei Halbleiterschalter 30, dem je¬ weils eine Freilaufdiode 301 antiparallel geschaltet ist, und einen Energiespeicher in Form eines Kondensators 31. Die Sub¬ module 27 sind als Halbbrückenschaltungen ausgebildet. Die Halbleiterschalter 30 der Submodule 27 sind voneinander unabhängig steuerbar. Die Umrichteranordnung 15 umfasst ferner Messvorrichtungen 321-330. Die Messvorrichtungen dienen zur Erfassung von
Strom-Messwerten der wechselspannungsseitigen Ströme, der gleichspannungsseitigen Ströme sowie der Phasenmodulströme . Darüber hinaus umfasst die Umrichteranordnung auch Spannungs- messer, die jedoch in Figur 2 nicht explizit dargestellt sind. Wenigstens eines der Messvorrichtungen 321-330 ist eine Messvorrichtung gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel . Die Messvorrichtungen 321-330 sind ausgangsseitig mit einer Regelungseinrichtung zum Regeln des Umrichters 16 verbunden. Die einzelnen Verbindungen sind jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen in Figur 2 nicht explizit dargestellt. Die Aus¬ gangssignale der Messvorrichtungen 321-330 werden demnach an die Regelungseinrichtung weitergeleitet.

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung (1) zum Messen eines elektrischen Stromes in einer elektrischen Leitung (3) mit einem Messwiderstand (2), der in die elektrische Leitung einfügbar ist,
g e k e n n z e i c h n e t durch
- eine auf Hochspannungspotenzial angeordnete elektroopti- sche Einheit (44) zum Umwandeln eines am Messwiderstand (2) erzeugten stromabhängigen elektrischen Messsignals in ein optisches Messsignal,
- eine optische Übertragungsleitung (5) zum Übertragen des optischen Messsignals vom Hochspannungspotenzial auf Erdpotenzialniveau und
- eine erdpotenzialnah angeordnete optoelektrische Einheit (8) zum Umwandeln des übertragenen optischen Messsignals in ein elektrisches Ausgangssignal.
2. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei eine Datenverarbeitungsanlage (6) zum Auswerten des Ausgangssignals vorge- sehen ist.
3. Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die optische Übertragungsleitung (5) in einer
Isolatoreinheit (7) angeordnet ist, die die elektrische Lei- tung (3) von einer erdpotenzialnah angeordneten Basiseinheit (6) isoliert.
4. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die
optoelektrische Einheit (8) in der Basiseinheit (6) angeord- net ist.
5. Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Analog-Digital-Wandler (42) vorgesehen ist, der zum Digitalisieren des elektrischen Messsignals einge- richtet ist.
6. Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (1) eine Energieversorgungs¬ einheit (9) zur Energieversorgung der elektrooptischen Einheit (44) umfasst, wobei die Energieversorgungseinheit (9) eine optische Versorgungsleitung (10) umfasst, mittels der ein erdpotenzialnah erzeugtes Lichtsignal an die elektrooptische Einheit (44) übertragbar ist.
7. Messvorrichtung (l)nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (1) zu Messwerterfassung mit einer
Erfassungsfrequenz von mindestens 30 kHz eingerichtet ist.
8. Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Überwachungseinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, eine Fehlfunktion der Messvorrichtung an eine übergeordnete Steuerungseinrichtung zu melden.
9. Verfahren zum Messen eines Stromes in einer Hochspannungs¬ leitung (3) , bei dem
- mittels eines in die Hochspannungsleitung (3) eingefügten Messwiderstandes (2) ein stromabhängiges elektrisches Mess¬ signal erzeugt wird,
- das elektrische Messsignal mittels einer auf Hochspannungs¬ potenzial angeordneten elektrooptischen Einheit (44) in ein optisches Messsignal umgewandelt wird,
- das optische Messsignal mittels einer optischen Übertra¬ gungsleitung (5) an eine erdpotenzialnah angeordnete
optoelektrische Einheit übertragen wird, und
- das optische Messsignal mittels der optoelektrischen Ein- heit (8) in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
10. Umrichteranordnung (15) mit einem modularen Mehrstufenumrichter (16) und einer Messvorrichtung (1, 321-330) zum Messen eines Stromes in der Umrichteranordnung (15),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Messvorrichtung (1, 321-330) folgende Komponenten umfasst : - einen Messwiderstand (2), der in eine Hochspannungsleitung (3) einfügbar ist,
- eine auf Hochspannungspotenzial angeordnete elektroopti- sche Einheit (44) zum Umwandeln eines am Messwiderstand (2) erzeugten stromabhängigen elektrischen Messsignals in ein optisches Messsignal,
- eine optische Übertragungsleitung (5) zum Übertragen des optischen Messsignals vom Hochspannungspotenzial auf Erd¬ potenzialniveau und
eine erdpotenzialnah angeordnete optoelektrische Einheit (8) zum Umwandeln des übertragenen optischen Messsignals in ein elektrisches Ausgangssignal.
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