DE102008044915A1 - Remote reading of smart electricity meters recognizes the phase relationship between local and spatially overlaid reference phases - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Identifikation einer lokalen Bezugsphase einer Verbrauchsstelle in einem mehrphasigen Energieverteilungsnetz.The The present invention relates to the identification of a local Reference phase of a point of consumption in a multi-phase power distribution network.
Elektrische Energieverteilungsnetze nutzen überwiegend Wechselstrom und sind häufig mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgeführt. Die elektrische Energie wird hierbei idealisiert über drei Außenleiter übertragen, denen ein sinusförmiger Spannungsverlauf aufgeprägt ist, der um einen definierten zeitlichen Bezug phasenverschoben ist. Dabei werden üblicherweise sowohl die Außenleiter, als auch die zeitliche Beziehung der ihnen aufgeprägten Spannungsverläufe als Phase bezeichnet. Diese Doppeldeutigkeit des Begriffs Phase wird im Folgenden übernommen, da sie dem Fachmann geläufig, und somit kein Hindernis für das Verständnis ist. Dreiphasiger Wechselstrom hat für den Energietransport zahlreiche Vorzüge, insbesondere niedrige Übertragungsverluste. Dazu ist eine möglichst symmetrische Belastung der Phasen von Vorteil. Dies ist trivial zu erreichen, wenn alle Verbrauchsstellen dreiphasig angeschlossen sind und die Phasen gleichmäßig belasten. In der Realität ist eine unsymmetrische Leistungsaufnahme jedoch die Regel, wobei Verbrauchsstellen häufig sogar nur einphasig angeschlossen sind. Einem Energieversorgungsunternehmen (EVU) stellt sich damit die Aufgabe, eine Mehrzahl von Verbrauchsstellen mit unsymmetrischer Leistungsaufnahme so an das Versorgungsnetz anzuschließen, dass sich in der Summe eine annähernd symmetrische Belastung des Versorgungsnetzes ergibt. Erschwert wird diese Aufgabe dadurch, dass sich die Lastverhältnisse an den Verbrauchsstellen im Laufe eines Tages, wie auch im Laufe der Jahre verändern. Der besonders wichtige Spezialfall der dreiphasigen Ausführung wird hier vertieft, obgleich sich das erfindungsgemäße Verfahren problemlos auch auf Energieverteilungsnetze mit abweichender Phasenzahl anwenden lässt.electrical Power distribution grids use mostly alternating current and are often multi-phase, in particular three-phase executed. The electrical energy is ideally transmitted via three outer conductors, which imprinted a sinusoidal voltage curve which is phase-shifted by a defined temporal reference is. Usually, both the outer conductors, as well as the temporal relationship of their impressed voltage curves referred to as phase. This ambiguity of the term phase is assumed below, since it is familiar to the person skilled in the art, and thus no obstacle to understanding. Three-phase alternating current has numerous energy transport Benefits, especially low transmission losses. This is a possible symmetrical loading of the phases advantageous. This is trivial to achieve if all consumption points three-phase are connected and the phases evenly strain. In reality, an unbalanced power consumption However, the rule, where often consumption points are connected only single phase. A power company (RU) sets itself the task, a plurality of points of consumption with unbalanced power consumption so to the supply network to join, that in the sum approximate symmetrical load of the supply network results. Is made difficult this task in that the load conditions the consumption points in the course of a day, as well as in the course of Change years. The most important special case of the Three-phase execution is here deepened, although itself the inventive method easily on energy distribution grids with a different number of phases leaves.
Moderne Elektrizitätszähler sind in der Lage, die Energieentnahme an Verbrauchsstellen nach Phasen getrennt aufzuschlüsseln. Dabei wird die Bezugsphase an einer Verbrauchsstelle typischerweise bei der Installation des Elektrizitätszählers festgelegt.modern Electricity meters are capable of removing energy at points of consumption separated into phases separately. The reference phase at a point of consumption is typically included the installation of the electricity meter.
Entsprechend wird beim einphasigen Anschluss einer Verbrauchsstelle physisch festgelegt, welcher Phase dort Leistung entnommen wird. Die durchgängig richtige Zuordnung der Phasen erfordert erheblichen Aufwand für Markierung und Verwaltung. Um diese Zuordnung auch bei fehlerhafter oder fehlender Markierung nachträglich zu ermitteln, sind Messverfahren vorgeschlagen worden, die mit Hilfe dezidierter Messmittel eine Zuordnung der Phasen über größere Entfernungen hinweg ermöglichen. Es sind Lösungen bekannt, bei denen zwei räumlich entfernte Messgeräte jeweils mit einer Phase verbunden werden, um den zeitlichen Bezug der zu vergleichenden Phasen zu ermitteln. Dabei wurden unterschiedliche Mittel zur Synchronisation von Messungen, zur Übertragung von Referenzsignalen bzw. zur Übertragung von Messergebnissen vorgeschlagen.Corresponding becomes physical in the single-phase connection of a point of consumption Defines which phase is taken from there power. The consistent proper assignment of the phases requires considerable effort for Marking and administration. To this assignment even with faulty or to detect missing marking subsequently are measuring methods been proposed, with the help of dedicated measuring a Assignment of the phases over longer distances away. There are known solutions where two spatially remote gauges each be associated with a phase to the temporal relation of to determine comparative phases. There were different Means for synchronization of measurements, for transmission of reference signals or for transmission of measurement results proposed.
Übertragung
eines Referenzsignals mit Modems und Telefonleitung (
An die hier aufgezählten Mittel werden durchaus erhebliche Anforderungen gestellt.At the funds listed here are quite substantial Requirements made.
Damit
gehen aufwändige Arbeitsabläufe einher. So wird
in
Damit zeichnet sich der Stand der Technik durch folgende Nachteile aus:
- • Es werden dezidierte, im wesentlichen nur für die genannte Aufgabenstellung nützliche Messmittel sowie Kommunikationseinrichtungen benötigt.
- • Es wird an diesen Messmitteln geschultes Personal benötigt.
- • Die messtechnische Zuordnung jeder Verbrauchsstelle ist kaum realisierbar und auch nicht vorgesehen, lediglich komplette Leitungsabschnitte und damit Gruppen von Verbrauchsstellen können überprüft werden.
- • Die erzielbaren Ergebnisse sind vorab kaum planbar, da erst durch die Messung vor Ort erkennbar wird, ob sich wesentliche Verbesserungen bereits durch Änderungen von Zuordnungen in einer Unterverteilung erzielen lassen werden, oder ob beispielsweise an einer einzigen Leitung angeschlossene Verbrauchsstellen auf mehrere, ggf. neu zu verlegende Leitungen aufgeteilt werden müssen.
- • Von Stromunterbrechungen zwecks Änderungen in Unterverteilungen betroffene Verbraucher können nur dann gezielt vorab informiert werden, wenn Messungen und Änderungen in zeitlichem Abstand erfolgen, wofür zwei Arbeitseinsätze vor Ort erforderlich würden.
- • There is a need for dedicated measuring equipment and communication equipment which are essentially only useful for the task mentioned above.
- • Personnel trained in these measuring instruments are required.
- • The metrological assignment of each consumption point is hardly feasible and not provided, only complete line sections and thus groups of points of consumption can be checked.
- • The achievable results are difficult to plan beforehand, as it is only on site that it becomes clear whether significant improvements can already be achieved by changing allocations in a subdistribution, or if, for example, new consumption points connected to a single line to be laid lines must be divided.
- • Consumers affected by power interruptions for subdistribution changes can only be informed in advance if measurements and changes are made at intervals, requiring two on-site work.
Aufgabe der Erfindung ist, diesen Nachteilen abzuhelfen.task The invention is to remedy these disadvantages.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst, unter Verwendung eines fernabgelesenen Elektrizitätszählers mit den Merkmalen aus Nebensanspruch 10 oder 11According to the invention, this object is achieved a method having the features of claim 1, using a remotely read electricity meter having the features of subclaims 10 or 11
An Stelle von dezidierten, nur für die genannte Aufgabenstellung nützlichen Messmitteln werden kostengünstige Verbesserungen fernabgelesener Elektrizitätszähler vorgeschlagen. Fernabgelesene Elektrizitätszähler sind bekanntermaßen bereits mit heute verfügbarer Technik, also ohne die erfindungsgemäßen Vorteile, wirtschaftlich vorteilhaft einsetzbar. Mit ihrer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird die Möglichkeit eröffnet, die lokale Bezugsphase jeder Verbrauchsstelle messtechnisch der entsprechenden übergeordneten Bezugsphase zuzuordnen. Hierzu wird ein automatisiertes Verfahren vorgeschlagen, das ohne besonders geschultes Personal, und insbesondere ohne jeglichen Personaleinsatz vor Ort auskommt. Damit können ggf. notwendige Arbeitseinsätze zur Veränderung der Struktur eines Energieverteilungsnetzes langfristig zentral geplant werden, und betroffene Verbraucher können rechtzeitig informiert werden.At Place of dedicated, only for the task mentioned Useful measuring equipment will be cost-effective improvements remote metered electricity meter proposed. Remote electricity meters are known already available today, ie without the invention Advantages, economically advantageous. With her invention Continuing education will open the opportunity to local reference phase of each consumption point metrologically the corresponding parent Assign reference phase. This is an automated procedure proposed, without specially trained staff, and in particular without any staff on site. With that you can possibly necessary work assignments for change the structure of an energy distribution network in the long term centrally be planned, and affected consumers can be timely be informed.
An
Hand der Inbetriebnahme einer Mehrzahl von Elektrizitätszählern
wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft
erklärt. In einer Trafostation, die eine Mehrzahl von Verbrauchsstellen
versorgt wird ein Datenkonzentrator installiert, der über
ein Weitbereichsnetzwerk, kurz WAN mit dem Verwaltungszentrum eines
EVU verbunden wird. Weiterhin wird ein erster Zähler installiert,
der die von der Trafostation in die 3 Phasen eingespeisten Elektrizitätsmengen
getrennt erfasst. Eine hervorgehobene Bezugsphase des ersten Zählers
wird dabei an eine hervorgehobene lokale Bezugsphase der Trafostation
angeschlossen. Diese Bezugsphase der Trafostation ist vorbekannt.
Sie kann ggf. durch eine sinngemäße Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens auf höherer
Ebene ermittelt worden sein, oder auch willkürlich gesetzt
sein. Der Datenkonzentrator sendet mit einer Datenübertragungseinrichtung
zyklisch ein Datentelegramm, das eine Aufforderung zur Anmeldung
in einem Netzwerk ausdrückt. Der erste Zähler
weist eine gleichartige Datenübertragungseinrichtung auf,
und empfängt mit dieser das genannte Datentelegramm, identifiziert
sich gegenüber dem Datenkonzentrator durch die Aussendung eines
Antworttelegramms etc. Derartige Prozesse zur Netzwerkbildung sind
bekannt und gut erforscht. Als Beispiel dient
Ein zweiter erfindungsgemäßer Elektrizitätszähler wird an einer Verbrauchsstelle installiert. Der Datenkonzentrator sendet unverändert zyklisch Datentelegramme, die eine Aufforderung zur Anmeldung in einem Netzwerk ausdrücken. Der zweite Elektrizitätszähler meldet sich wie zuvor beschrieben in dem Netzwerk an. Die Phasenbeziehung des zweiten Elektrizitätszählers zur Bezugsphase des ersten Elektrizitätszählers ist zunächst unbekannt und zu klären. Der Datenkonzentrator sendet hierzu ein Datentelegramm, das als Startsignal zur Phasenmessung dient, und von den Elektrizitätszählern empfangen wird. Die Elektrizitätszähler beginnen mit Erhalt dieses Datentelegramms die ablaufende Zeit zu messen, die bis zum darauf folgenden positiven Nulldurchgang ihrer jeweiligen Bezugsphase verstreicht. Sie senden jeweils einen Zahlenwert an den Datenkonzentrator zurück, der diese Zeit repräsentiert. Der Datenkonzentrator vergleicht diese beiden Zeiten. Stimmen sie überein, dann stimmen die Bezugsphasen der Elektrizitätszähler überein. Ist die vom zweiten Elektrizitätszähler gemessene Zeit um 7 ms grösser/kleiner dann eilt seine Bezugsphase gegenüber derjenigen des ersten Zählers um 120° nach/vor (Beispiel für eine Netzfrequenz von 50 Hz). Der Datenkonzentrator speichert das Ergebnis dieses Vergleichs in geeigneter Form. Die erforderliche Präzision bei der Zeitmessung ist keineswegs trivial zu erfüllen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Zähler mit Spannungswandlern zum Einsatz kommen, die durch Montagefehler verpolt sein können, und somit einen Phasenfehler von 180° bewirken können. In diesem Fall müssen u. U. die Phasendifferenzen 60°, 120°, 180°, 240°, 300° und 360° unterschieden werden, was Zeitdifferenzen entspricht, die Vielfache von 3,33 ms sind (bei einer Netzfrequenz von 50 Hz), bzw. Vielfache von 2,78 ms sind (bei einer Netzfrequenz von 60 Hz). Für eine sichere Zuordnung werden die Zeitdifferenzen zweckmäßigerweise so genau bestimmt, dass die Messunsicherheit die Hälfte von 2,78 ms nicht übersteigt.One second inventive electricity meter is installed at a point of consumption. The data concentrator unchanged sends cyclic data telegrams, which is a request to sign in to a network. The second electricity meter logs on to the network as previously described. The phase relationship of the second electricity meter for the reference phase the first electricity meter is first unknown and to clarify. The data concentrator sends this a data telegram, which serves as a start signal for the phase measurement, and is received by the electricity meters. The electricity meters start to receive this Data telegram to measure the elapsed time until the next The following positive zero crossing of their respective reference phase elapses. she send a numerical value back to the data concentrator, who represents this time. The data concentrator compares these two times. Agree, then vote the reference phases of the electricity meter match. Is the measured from the second electricity meter Time by 7 ms larger / smaller then rushes its reference phase compared to that of the first counter by 120 ° to / before (Example for a mains frequency of 50 Hz). The data concentrator stores the result of this comparison in an appropriate form. The required precision in timing is by no means to fulfill trivially. This is especially true if Counters with voltage transformers are used by Assembly errors can be reversed, and thus a phase error of 180 °. In this case, need u. U. the phase differences 60 °, 120 °, 180 °, 240 °, 300 ° and 360 °, which equals time differences that are multiples of 3.33 ms (at a mains frequency of 50 Hz), or multiples of 2.78 ms are (at a mains frequency of 60 Hz). For a secure assignment the time differences are expediently so accurately determines that the measurement uncertainty is half of 2.78 ms does not exceed.
Auf die Messunsicherheit haben die Laufzeiten des Signals im Medium und diesbezügliche Unterschiede auf Grund unterschiedlicher Entfernungen vom Datenkonzentrator zu den Elektrizitätszählern keinen nennenswerten Einfluß. Bei typischen Entfernungen von unter 1 KM betragen die Laufzeiten unter 10 Mikrosekunden. Entscheidend für die Messgenauigkeit ist die günstige Gestaltung der senderseitigen Signalverarbeitung. Hierfür ist wichtig, dass das Datentelegramm, das als Startsignal zur Phasenmessung dient, in beiden Elektrizitätszählern bis auf eine maximale Abweichung von rund 1 ms gleichzeitig empfangen und ausgewertet wird. Dies kann durch den Einsatz eines geeigneten ASIC mit Schaltkreisen zum Empfang von Datentelegrammen und von Schaltkreisen zur Zeitmessung erreicht werden. Die Schaltkreise zur Zeitmessung beinhalten dazu ein Capture-Register, in das der Inhalt eines freilaufenden Timers als Zeitstempel kopiert wird, sobald ein Datentelegramm empfangen wird. Die Auflösung des Timers und damit des Zeitstempels hat dabei eine Auflösung von deutlich unter 1 ms.On the measurement uncertainty has the transit times of the signal in the medium and differences due to differences Distances from data concentrator to electricity meters none significant influence. At typical distances from below 1 KM is the runtime under 10 microseconds. critical for the measuring accuracy is the favorable design the transmitter-side signal processing. For this it is important that the data telegram, which serves as a start signal for the phase measurement, in both electricity meters down to a maximum Deviation of about 1 ms simultaneously received and evaluated becomes. This can be done by using a suitable ASIC with circuits for receiving data telegrams and timing circuits be achieved. The timing circuits include a Capture register, in which the content of a free-running timer as Timestamp is copied as soon as a data telegram is received. The resolution of the timer and thus the timestamp has while a resolution of well below 1 ms.
Der gleiche Zweck kann auch durch den Einsatz eines Mikrocontrollers mit peripheren Schaltkreisen zum Empfang von Datentelegrammen und mit peripheren Schaltkreisen zur Zeitmessung erreicht werden. Dabei kann der Datenempfang einen Interrupt des Mikrocontrollers auslösen, bei dessen Behandlung einem freilaufenden Timer ein Zeitstempel entnommen wird. Hierzu sind die Interrupt-Latenzen entsprechend kurz zu halten, was durch geeigneten Programmcode erreicht wird.Of the same purpose can also be achieved by using a microcontroller with peripheral circuits for receiving data telegrams and can be achieved with peripheral circuits for timing. there the data reception can trigger an interrupt of the microcontroller, during its treatment, a time stamp was taken from a free-running timer becomes. For this purpose, the interrupt latencies are to be kept correspondingly short, which is achieved by suitable program code.
Sobald der Spannungsverlauf der Referenzphase dann einen positiven Nulldurchgang aufweist, das Vorzeichen der Spannung also von – nach + wechselt, wird entsprechend ein zweiter Zeitstempel generiert. Die Differenz dieser Zeitstempel entspricht der gesuchten Zeit.As soon as the voltage curve of the reference phase then a positive zero crossing that is, the sign of the voltage changes from - to +, a second timestamp is generated accordingly. The difference this timestamp corresponds to the time you are looking for.
Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die beschriebene Phasenmessung mehrfach wiederholt werden, wobei unplausible Ergebnisse gestrichen und die verbleibenden gemittelt werden.to Increasing the accuracy can be described in the phase measurement be repeated several times, with implausible results deleted and the remaining will be averaged.
Weiterhin kann die Genauigkeit der Phasenmessung gesteigert werden durch eine digitale Filterung der jeweiligen Bezugsphase vor der Bestimmung des positiven Nulldurchgangs. Nachdem sich der dritte Elektrizitätszähler in dem Netzwerk angemeldet hat, wird in gleicher Weise dessen Phasenbeziehung zur Bezugsphase des ersten Elektrizitätszählers geklärt, und so fort. Die gleichzeitige Phasenmessung an mehreren neu angemeldeten Elektrizitätszählern ist sinngemäß möglich.Farther the accuracy of the phase measurement can be increased by a digital filtering of the respective reference phase before the determination the positive zero crossing. After the third electricity meter logged in the network, in the same way its phase relationship to the reference phase of the first electricity meter clarified, and so on. The simultaneous phase measurement on several newly registered electricity meters is possible analogously.
Wird ein Elektrizitätszähler in dem Netzwerk angemeldet, der nicht mehr in Reichweite des Datenkonzentrators ist, dann wird ein bereits angemeldeter Elektrizitätszähler in Reichweite des neuangemeldeten Zählers die zuvor beschriebene Rolle des Datenkonzentrators übernehmen, also beispielsweise das Datentelegramm senden, das als Startsignal zur Phasenmessung dient.Becomes an electricity meter registered in the network, which is no longer within range of the data concentrator, then becomes an already registered electricity meter in Range of the newly registered counter the previously described Take over role of the data concentrator, so for example send the data telegram as the start signal for the phase measurement serves.
Die
bisher beschriebene Ausführung verknüpft in anschaulicher
Weise eine zeitliche Synchronisation zweier Elektrizitätszähler
mit der Messung des Nulldurchgangs von deren jeweiliger Bezugsphase.
In einer bevorzugten Ausführung stellen die Synchronisation
zweier Elektrizitätszähler und die Messung des
Nulldurchgangs von deren jeweiliger Bezugsphase getrennte Vorgänge
dar. Dies ist von Vorteil, da jeweils auf bekannte Verfahren zurückgegriffen
werden kann. Für das neuere Gebiet der Synchronisation
in einem Netzwerk sei beispielhaft genannt der Beitrag
In einer bevorzugten Weiterbildung stellen Elektrizitätszähler und Kommunikationseinheit getrennte Geräte dar. Diese weisen jeweils eigene Zeitmesseinrichtungen mit zunächst unbekanntem Gangunterschied auf. In diesem Fall umfasst die Synchronisation zweier Elektrizitätszähler jeweils die Schritte Synchronisation der Elektrizitätszähler mit der jeweils angeschlossenen Kommunikationseinheit, und dann die Synchronisation der Kommunikationseinheiten miteinander. Dies kann sinngemäß auch auf den Fall erweitert werden, dass mehrere Elektrizitätszähler mit einer einzigen Kommunikationseinheit verbunden sind.In A preferred development provide electricity meter and communication unit are separate devices. These have each own time measuring devices with initially unknown retardation on. In this case, the synchronization includes two electricity meters respectively the steps synchronization of the electricity meters with the respectively connected communication unit, and then the synchronization of the communication units with each other. This can also be extended analogously to the case that multiple electricity meters with a single Communication unit are connected.
In einer Weiterbildung wird der Nulldurchgang der Referenzspannung von der zur Fernablesung vorgesehenen Kommunikationseinheit ermittelt. Dies ist insbesondere bei Kommunikationseinheiten für Powerlinecommunication (PLC) von Interesse, da diese bereits für den Empfang von Datentelegrammen den Spannungsverlauf der Netzspannung auswerten.In a development is the zero crossing of the reference voltage determined by the intended remote communication unit. This is especially true for communication units for powerline communication (PLC) of interest, since these are already for the reception of Data telegrams evaluate the voltage curve of the mains voltage.
In einer bevorzugten Weiterbildung übermitteln die Elektrizitätszähler im Rahmen der zyklischen Abfrage von Verbrauchswerten auch die Zuordnung der Verbrauchswerte zur übergeordneten Referenzphase. In der Folge summiert der Datenkonzentrator die in definierten Zeitintervallen an den verschiedenen Verbrauchsstellen entnommenen Elektrizitätsmengen jeweils phasenweise getrennt auf, und vergleicht diese mit der vom ersten Zähler ermittelten an der Trafostation jeweils eingespeisten Elektrizitätsmenge. Bei einer Abweichung, die auf einen technischen Defekt oder eine Manipulation hindeutet, wird ein Alarm ausgelöst. Die phasenweise getrennte Auswertung verbessert die bei diesem Vergleich erzielbare Empfindlichkeit wesentlich. Die getrennte Auswertung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch erzielt werden, ohne die Notwendigkeit einer manuellen Konfiguration.In a preferred development, the electricity meters also transmit the assignment of the consumption values to the superordinate reference phase in the context of the cyclical query of consumption values. As a result, the data concentrator sums the quantities of electricity taken at the various consumption points at defined time intervals separately in phases, and compares them with the quantity of electricity respectively fed in at the transformer station determined by the first meter. In the case of a deviation that indicates a technical defect or a manipulation, an alarm is triggered. The phase-separated evaluation significantly improves the achievable in this comparison sensitivity. The separated Evaluation can be achieved automatically with the method according to the invention, without the need for a manual configuration.
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