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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Messgerät mit einem Messdateneingang
zum Empfangen von Messdaten und einer Datenverarbeitungseinrichtung
zum Verarbeiten der empfangenen Messdaten.
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Elektrische
Messgeräte,
die eine Verarbeitung von Messdaten vornehmen, werden in einer Vielzahl
von Anwendungsfällen
eingesetzt. Als ein Beispiel hierfür sei der Betrieb automatisiert
gesteuerter Prozesse genannt. Solche automatisiert gesteuerten Prozesse,
wie beispielsweise industrielle Fertigungsprozesse oder Verteilungsprozesse
für Wasser,
Gas oder elektrische Energie, werden zumeist durch Automatisierungsanlagen
gesteuert. Eine solche Automatisierungsanlage weist üblicherweise
in Prozessnähe
angeordnete Messgeräte
auf, die hinsichtlich des automatisiert gesteuerten Prozesses eine
Erfassung von Messdaten vornehmen. Häufig sind solche elektrischen
Messgeräte
dazu eingerichtet, zusätzliche
Steuerungsfunktionen sowie Schutz- und Überwachungsfunktionen durchzuführen; sie
werden in einem solchen Fall auch als Feldgeräte bezeichnet. Bei solchen
Feldgeräten kann
es sich beispielsweise um Leitgeräte, Steuergeräte, Schutzgeräte oder
Qualitätsüberwachungsgeräte handeln.
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Üblicherweise
weisen Messgeräte
der genannten Art einen oder mehrere Mikroprozessoren auf, mit deren
Hilfe die entsprechenden Gerätefunktionen
gesteuert werden. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus
dem Siemens Gerätehandbuch „Digitaler
Distanzschutz für
Höchstspannungsleitungen
7SA513 V3.2/V3.3",
Bestellnr. C53000-G1100-C103-5, insbesondere Sei te 45, Kapitel 4 „Wirkungsweise", ein elektrisches
Messgerät in
Form eines Feldgerätes
zum Schutz für
elektrische Energieversorgungsleitungen bekannt, bei dem Messwerte
in Form von Strom- und Spannungswerten an der Energieübertragungsleitung
erfasst und analog/digital in digitale Messdaten umgesetzt werden.
Die digitalen Messdaten werden einer Datenverarbeitungseinrichtung
zugeführt,
die von einem digitalen Signalprozessor und einem Zentralprozessorsystem
gebildet wird. Der digitale Signalprozessor verarbeitet die digitalen
Messdaten gemäß vorgegebener
messtechnischer Operationen, wie z.B. Filterung und Aufbereitung
der Messgrößen, und
führt ferner
eine ständige Überwachung
der Ströme
und Spannungen dahingehend durch, ob eine Auslösung des Schutzsystems erforderlich
ist. Das Zentralprozessorsystem hingegen steuert übergeordnete
Funktionen des Feldgerätes,
wie z.B. den logischen Ablauf der Schutzüberwachungs- und Meldefunktionen. Es
verwaltet ferner den Datenfluss zwischen einzelnen Baugruppen des
Feldgerätes
sowie die Kommunikation mit externen Geräten. Zusammengefasst lässt sich
also sagen, dass der digitale Signalprozessor für die Verarbeitung der Messwerte
zuständig
ist und das Zentralprozessorsystem die übergeordneten Gerätefunktionen
steuert.
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Die
Messdatenverarbeitung benötigt
hierbei häufig
eine sehr hohe Rechenleistung; als Pauschalwert lässt sich
hierfür
ein Wert von 40 bis 65 % der gesamten Rechenleistung des Feldgeräts ansetzen. Führt das
Feldgerät
zusätzlich
auch noch Berechnungen von Qualitätskenngrößen auf Basis der Messdaten
durch, so können
bis zu 80 % der gesamten Rechenleistung benötigt werden. Aus dieser Anforderung
würde der
Einsatz von leistungsstärkeren Prozessoren
resultieren, die jedoch einerseits teuer sind und andererseits aufgrund
ihrer hohen Rechenleistung auch eine erhöhte Verlustleistung aufweisen, die
in Form von Wärme
abgeführt
werden muss. Ebenso erfordern schnelle Prozessoren auch den Einsatz
schneller Speicherbausteine, bei deren Betrieb wiederum Wärme abgegeben
wird. In kleinen und nach außen
hin durch Gehäuse
abgeschlossenen Geräten
ist eine entsprechende Wärmeabfuhr
allerdings nur schwierig zu gewährleisten.
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Aus
der
DE 102 21 772
A1 ist ein elektrisches Messgerät in Form eines Feldgerätes bekannt, das
als Datenverarbeitungseinrichtung einen oder zwei über eine
Software programmierte Prozessoren aufweist.
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Die
DE 198 42 000 A1 zeigt
ein Messgerät
in Form eines Distanzschutzgerätes
mit einer Datenverarbeitungseinrichtung.
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Aus
der
DE 198 55 006
A1 sind schließlich zwei
Distanzschutzgeräte
als Messgeräte
bekannt, bei denen eine Verarbeitung der aufgenommenen Messdaten
erfolgt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät der oben
angegebenen Art derart auszugestalten, dass eine Verarbeitung von
Messdaten bei vergleichsweise geringer Verlustleistung vorgenommen
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Messgerät
der oben genannten Art gelöst,
bei dem die Datenverarbeitungseinrichtung zumindest teilweise in
Form eines integrierten Schaltungsbausteins mit hardwarebestimmter
Vorprogrammierung ausgeführt
ist und dieser integrierte Schaltungsbaustein eine mit dem Messdateneingang
in Verbindung stehende Abtastraten-Anpassungsvorrichtung und zumindest
zwei mit der Abtastraten-Anpassungsvorrichtung
in Verbindung stehende Messdaten-Vorverarbeitungsmodule aufweist,
wobei die Abtastraten-Anpassungsvorrichtung zur Vornahme einer für die zumindest
zwei Messdaten-Vorverarbeitungsmodule spezifischen Anpassung der Abtastrate
der Messdaten ausgebildet ist. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Messgerätes besteht
darin, dass es eine Datenverarbeitungseinrichtung in Form eines
integrierten Schaltungsbausteins mit hardwarebestimmter Vorprogrammierung,
d.h. eines Schaltungsbausteins, der durch seine interne Verschaltung
speziell zur Ausführung
vorgegebener Funktionen bestimmt ist, mit nur geringer Verlustleistung
aufweist. Ein solcher integrierter Schaltungsbaustein mit hardwarebestimmter
Vorprogrammierung ist hier insbesondere im Gegensatz zu einem integrierten
Schaltungsbaustein mit softwarebestimmter Programmierung, wie beispielsweise
einen Mikroprozessor, zu betrachten. Während der Auslegung bzw. dem
Design eines jeweiligen integrierten Schaltungsbausteins mit hardwarebestimmter
Vorprogrammierung werden jeweils aufgabenspezifische Messda ten-Vorverarbeitungsmodule
in Form spezieller Schaltungsanordnungen in den Aufbau des Schaltungsbausteins
aufgenommen. Solche Messdaten-Vorverarbeitungsmodule liegen häufig bereits als
vorgefertigte Design-Module bei der Auslegung des Aufbaus des integrierten
Schaltungsbausteins vor und können
daher leicht in diesen übernommen werden.
Da die einzelnen Messdaten-Vorverarbeitungsmodule häufig für ihre Berechnungen
Messdaten mit unterschiedlichen Abtastraten benötigen, weist der integrierte
Schaltungsbaustein des erfindungsgemäßen Messgerätes zudem eine Abtastraten-Anpassungsvorrichtung
auf, die jedem eingebauten Messdaten-Vorverarbeitungsmodul die Messdaten
mit der jeweiligen benötigten
Abtastrate zuführt. Bei
dem erfindungsgemäßen Messgerät können somit
von dem integrierten Schaltungsbaustein bereits eine Vielzahl notwendiger
Daten-Vorverarbeitungsschritte
durchgeführt
werden, die bei herkömmlichem Aufbau
allein von einem Mikroprozessor geleistet werden müssten.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung des erfindungsgemäßen Messgerätes kann auch aus einer Kombination
aus dem integrierten Schaltungsbaustein und einem Mikroprozessor
bestehen. Ein in dem erfindungsgemäßen Messgerät ggf. zusätzlich zu dem integrierten
Schaltungsbaustein einzusetzender Mikroprozessor zur Weiterverarbeitung
der von dem integrierten Schaltungsbaustein nunmehr vorverarbeiteten
Messdaten muss jedoch nur eine vergleichsweise geringe Rechenkapazität aufweisen, was
mit einer verminderten Verlustleistung in Form von Wärme verbunden
ist. Der Mikroprozessor kann dabei beispielsweise als separates
Bauteil zusätzlich zu
dem integrierten Schaltungsbaustein ausgeführt sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Messgerätes bilden
jedoch der Mikroprozessor und der in tegrierte Schaltungsbaustein
eine Baueinheit. Auch in diesem Fall weist der Mikroprozessor eine
vergleichsweise geringe Rechenleistung auf. Der wesentliche Vorteil
der Anordnung auf einer gemeinsamen Baueinheit besteht in einer
unmittelbaren und damit vergleichsweise schnellen Datenübermittlung
zwischen dem zumindest einen Messdaten-Vorverarbeitungsmodul und dem
Mikroprozessor.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Messgerätes sieht
ferner vor, dass der integrierte Schaltungsbaustein einen Speicherbaustein
aufweist. Der Speicherbaustein kann dabei als internes Register
der Messdaten-Vorverarbeitungsmodule
und/oder als separater Speicherbaustein ausgeführt sein. In dem Speicherbaustein
können
beispielsweise von den Messdaten-Vorverarbeitungsmodulen fertig
verarbeitete Messdaten zur Übergabe
an den Mikroprozessor zwischengespeichert werden.
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Üblicherweise
werden in dem integrierten Schaltungsbaustein zwei oder mehr Messdaten-Vorverarbeitungsmodule
vorgesehen sein. Dabei können
die Messdaten-Vorverarbeitungsmodule beliebige Funktionen zur Messdatenverarbeitung übernehmen.
Als besonders vorteilhaft wird es z.B. angesehen, wenn Messdaten-Vorverarbeitungsmodule
in Form von Filtermodulen, Modulen zum Durchführen einer Fourier-Transformation
auf Basis zumindest einiger der Messdaten, Module zum Berechnen
von komplexen Zeigern aus zumindest einigen der Messdaten oder Module
zum Berechnen von Effektivwerten zu zumindest einigen der Messdaten
vorhanden sind. Mit solchen Modulen können nämlich bereits große Teile
der im herkömmlichen
Betrieb vom Mikroprozessor zu leistenden Rechenleistung von dem
integrierten Schaltungsbaustein übernommen
werden.
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Gemäß vorteilhaften
Ausführungsformen kann
es sich bei dem integrierten Schaltungsbaustein um einen ASIC oder
einen FPGA handeln. Bei einem ASIC (application specific integrated
circuit) handelt es sich um einen Hardware-Schaltungsbaustein, dessen
Schaltkreise während
seines Designs hinsichtlich der durchzuführenden Funktionen festgelegt
werden. Der Einsatz von ASICs eignet sich dort, wo große Stückzahlen
desselben integrierten Schaltungsbausteins benötigt werden. Bei einem FPGA (field
programmable gate array) handelt es sich hingegen um einen bereits
im Grundgerüst
vorgefertigten und zum jeweiligen Einsatz programmierbaren Hardware-Schaltungsbaustein,
dessen Verschaltung erst durch die Programmierung festgelegt wird.
Der Einsatz eines FPGAs lohnt sich insbesondere bei kleineren bis
mittleren Stückzahlen
desselben integrierten Schaltungsbausteins.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist
das erfindungsgemäße Messgerät ferner
ein elektrisches Feldgerät,
insbesondere ein Schutz- oder Leitgerät.
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Zur
näheren
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Messgerätes ist
in der Figur ein Messgerät mit
einer zumindest teilweise in Form eines integrierten Schaltungsbausteins
mit hardwarebestimmter Vorprogrammierung ausgeführten Datenverarbeitungseinrichtung
schematisch dargestellt.
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In
der Figur ist ein Messgerät 1 über eine höchstschematisch
angedeutete Wandlereinrichtung 2 mit einem Prozess in Form
eines Leitungsabschnitts 3 eines elektrischen Energieübertragungsnetzes
verbunden. Das Messgerät 1 weist
einen Messdateneingang 4 zum Empfangen von Messdaten von
der Wandlereinrichtung 2 auf. Der Messdateneingang 4 steht
in elektrischer Verbindung mit einer strichliert angedeuteten Datenverarbei tungseinrichtung 5,
die teilweise als integrierter Schaltungsbaustein 14 mit
hardwarebestimmter Vorprogrammierung ausgeführt ist. Dieser integrierte
Schaltungsbaustein 14 – beispielsweise
ein ASIC oder ein FPGA – weist
eingangsseitig eine Abtastraten-Anpassungsvorrichtung 6 auf,
die ausgangsseitig wiederum mit Messdaten-Vorverarbeitungsmodulen 7a, 7b und 7c verbunden
ist. Außerdem
ist die Abtastraten-Anpassungsvorrichtung 6 mit
einem Speicherbaustein 8, der z.B. in Form eines FIFO-Speichers ausgeführt sein
kann, verbunden. FIFO bedeutet hierbei „first input first output", d.h. der in den Speicherbaustein
zuerst abgelegte Datenwert wird ausgangsseitig auch zuerst von diesem
wieder abgegeben.
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Der
integrierte Schaltungsbaustein 14 bildet ferner mit einem
Mikroprozessor 9 eine Baueinheit.
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Die
Messdaten-Vorverarbeitungsmodule 7a, 7b, 7c,
der Speicherbaustein 8 und die Mikroprozessoreinheit 9 sind über einen
internen Bus 10 des integrierten Schaltungsbausteins 14 miteinander
verbunden. Außerdem
ist mit dem Bus 10 ein Speichersteuermodul 11 verbunden,
das ausgangsseitig mit einem in der Figur nur schematisch angedeuteten flüchtigen
Speicher 13 verbunden ist.
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Im
Folgenden soll die Funktionsweise des Messgerätes 1 näher erläutert werden:
Mit
der Wandlereinrichtung 2 werden Messwerte an dem Leitungsabschnitt 3 des
elektrischen Energieübertragungsnetzes
erfasst. Hierbei kann es sich beispielsweise um Strom- und/oder Spannungsmesswerte
handeln. Die in der Figur dargestellte Wandlereinrichtung 2 steht
nicht notwendigerweise für
einen einzigen Strom- oder Spannungswandler, sondern soll vielmehr
stellvertretend mehrere Strom- bzw. Spannungswandler anzeigen, die
mit dem Leitungsabschnitt 3 verbunden sind. Ferner kann
eine solche Wandlereinrichtung 2 auch Bestandteil des Messgerätes 1 sein.
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Die
mit der Wandlereinrichtung 2 erfassten Messwerte können direkt
in der Wandlereinrichtung 2 analog/digital in den jeweiligen
Messwerten proportionale digitale Messdaten umgesetzt werden und ausgangsseitig
an das Messgerät 1 abgegeben
werden. Alternativ ist eine Analog/Digitalumsetzung aber auch erst
im Messgerät 1 direkt
nach dem Empfang der Messwerte denkbar. Für die folgenden Ausführungen
soll jedoch angenommen werden, dass sich der Analog/Digitalumsetzer
in einer externen Wandlereinrichtung 2 befindet.
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Das
Messgerät 1 liest
die digitalen Messdaten an seinem Messdateneingang 4 ein.
Die Messdaten gelangen daraufhin zu der Datenverarbeitungseinrichtung 5 und
dem integrierten Schaltungsbaustein 14. In diesem werden
die Messdaten zunächst der
Abtastraten-Anpassungsvorrichtung 6 zugeführt, die
die Messdaten hinsichtlich ihrer Abtastrate jeweils derart aufbereitet,
dass sie jeweils mit einer optimalen Abtastrate an die ausgangsseitig
mit der Abtastraten-Anpassungsvorrichtung verbundenen Messdaten-Vorverarbeitungseinrichtungen 7a, 7b und 7c abgegeben
werden.
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Bei
dem Messdaten-Vorverarbeitungsmodul 7a kann es sich beispielsweise
um ein Filtermodul handeln, das Messdaten-Vorverarbeitungsmodul 7b stellt
beispielsweise ein Modul zum Berechnen von komplexen Zeigern aus
zumindest einigen der Messdaten dar und das Messdaten-Vorverarbeitungsmodul 7c stellt
beispielsweise ein Modul zum Berechnen von Effektivwerten aus zumindest
einigen der Messdaten dar.
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Die
Abtastraten-Anpassungseinrichtung 6 gewährleistet, dass die Messdaten-Vorverarbeitungsmodule 7a, 7b und 7c Messdaten
mit der jeweils benötigten
Abtastrate erhalten.
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Der
integrierte Schaltungsbaustein 5 weist ferner einen Speicherbaustein 8 auf,
in dem Messdaten – ggf.
nach Anpassung ihrer Abtastrate – zwischengespeichert werden
können.
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Die
Messdaten-Vorverarbeitungsmodule 7a, 7b und 7c führen mit
den jeweils hinsichtlich ihrer Abtastrate optimierten Messdaten
ihre jeweilige Vorverarbeitungsfunktion durch und legen die Ergebnisse ihrer
Berechnungen in Registern 12a, 12b und 12c ab.
Von dort können
die nunmehr vorverarbeiteten Messdaten von anderen Komponenten der
Datenverarbeitungseinrichtung 5, z.B. dem Mikroprozessor 9, über den
Bus 10 übernommen
werden.
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Handelt
es sich bei dem Messgerät 1 um
ein elektrisches Schutzgerät,
kann der Mikroprozessor 9 beispielsweise die vorverarbeiteten
Messdaten dahingehend einer Überprüfung unterziehen,
ob sie bestimmte Kriterien für
eine Auslösung
der Schutzfunktionen des Schutzgerätes erfüllen, so dass beispielsweise
ein mit dem Schutzgerät
verbundener (in der Figur nicht gezeigter) Leistungsschalter geöffnet wird.
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Da
die Messdaten-Vorverarbeitungsmodule 7a, 7b, 7c bereits
wesentliche Messdaten-Vorverarbeitungsfunktionen durchgeführt haben,
kann ein Mikroprozessor 9 mit vergleichsweise geringer
Rechenleistung eingesetzt werden. Dies wirkt sich positiv auf die
Verlustleistung und damit auf die Wärmeabgabe der gesamten Datenverarbeitungseinrichtung 5 aus.
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Die
mittels des integrierten Schaltungsbausteins 14 verarbeiteten
Messdaten können
an ein Speichersteuermodul 11 übergeben werden, das die einzelnen
verarbeiteten Messdaten an einen flüchtigen Datenspeicher 13,
beispielsweise einen Flash-Speicher
oder einen RAM-Speicher überträgt und dort
zwischenspeichert. Aus diesem flüchtigen Speicher 13 können sich
weitere Komponenten des Messgerätes 1 die
verarbeiteten Messdaten einlesen, beispielsweise können sie
von dort auf einer Anzeigevorrichtung des Messgerätes 1 dargestellt
werden oder zur Kommunikation mit anderen Mess-, Feld- oder Leitgeräten bereitgestellt
werden.