DE19529458A1 - Verfahren zur Ermittlung der tatsächlichen Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignalen beliebiger Phasen in Drehstromnetzen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Er­ mittlung der tatsächlichen Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignalen beliebiger Phasen in Dreh­ stromnetzen und eine Verwendung des Verfahrens zur Kompen­ sation eines fehlerhaften Phasenanschlusses eines Blind­ leistungskompensationsreglers od. dgl.

Bei vielen Meß- und Regelverfahren ist eine Kenntnis der Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignalen von ein und derselben Phase (Leitung) notwendig. Werden jedoch unbeabsichtigterweise die Strom- und Spannungssi­ gnale von verschiedenen Phasen in dem Drehstromnetz gemes­ sen, so kann die gemessene Phasenverschiebung von der tat­ sächlichen Phasenverschiebung um einen schaltungsbe­ dingten Anschlußwinkel abweichen. Dies führt z. B. bei der Blindleistungskompensation dazu, daß eine z. B. durch Net­ zinduktivitäten bedingte Phasenverschiebung zwischen einem Netzstrom und einer Netzspannung nicht korrekt kompensiert und somit die Blindleistung nicht optimal minimiert werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die tatsächliche Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignalen beliebiger Phasen in Drehstromnetzen ermittelt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Zu- und/ oder Abschaltung mindestens einer rein kapazitiven oder einer rein induktiven oder ein rein ohmschen oder einer in ihrer Phasenverschiebung definierten Misch-Last und Ver­ wendung des bei Zu- bzw. Abschaltung gemessenen Differenz­ vektors als Bezugskoordinate in einem Zeigerdiagramm.

Dabei kann vorgesehen sein, daß das Verfahren die folgen­ den Schritte umfaßt:

• (a) Ermittlung der Netzfrequenz f;
• (b) Erstellung und Speicherung von s diskreten Werten mit Intervallen Δt für eine cos-Funktion cos_k und eine sin-Funktion sin_k mit der Frequenz f, wobei für die Intervalle Δt gilt
• (c) Erfassung und Speicherung von s diskreten Meßwerten mit dem Meßintervall Δt für einen Strom I_n und eine Span­ nung U_n beliebiger Phasen des Wechselstromes;
• (d) Berechnung der Terme
• (e) Berechnung des Wirkstroms und des Blindstroms wobei Faktor I eine Verstärkung der Meßeingänge und den Faktor s berücksichtigt;
• (f) Zuschaltung der Last;
• (g) Ausführung der Schritte (c) bis (e);
• (h) Berechnung des Differenzvektors zwischen einem Vek­ tor = (I_wirk,nach, I_blind,nach) nach Zuschaltung und einem Vek­ tor = (I_wirk,vor, I_blind,vor) vor Zuschaltung im Zeigerdia­ gramm;
• (i) Bestimmung des Anschlußwinkels ϕ_An anhand des Winkels zwischen dem Differenzvektor und dem erwarteten Strom­ vektor der zugeschalteten Last im Zeigerdiagramm gemäß: wobei ϕ_erwartet dem erwarteten Winkel des erwarteten Strom­ vektors der zugeschalteten Last zur I_wirk-Achse entspricht, mitΔI_b=I_blind,nach-I_{blind, vor}ΔI_w=I_wirk,nach-I_{wirk, vor}
• (j) Drehung des Vektors im Zeigerdiagramm um ϕ_An und Be­ stimmung der wahren Stromwerte gemäß I_wirk,wahr=I_wirk,vor·cos(ϕ_AN)-I_blind,vor·sin(ϕ_An)undI_blind,wahr=I_blind,vor·cos(ϕ_AN)+I_wirk,vor·sin(ϕ_An)
• (k) Berechnung der tatsächlichen Phasenverschiebung zwi­ schen I_wirk und I_blind gemäß

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß es außerdem die Schritte umfaßt:

• (l) x-fache Wiederholung der Schritte (c) bis (k), wobei die jedesmal ermittelten Werte für den Anschlußwinkel ϕ_An gespeichert werden; und
• (m) Bildung eines Mittelwerts _An mittels der gespeicherten Werte ϕ_AN.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Schritt (n) die folgenden Schrit­ te umfaßt:

• (m-1) Bildung eines vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} mit­ tels aller gespeicherten Werte _{An, vorläufig};
• (m-2) Ermittlung und Löschung des Einzelwertes ϕ_An mit der größten Abweichung von dem vorläufigen Mittelwert _{An, vorläufig};
• (m-3) Bildung eines vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} mit­ tels der verbleibenden Werte ϕ_An und Wiederholung dieses Schritte s bis zu einer Anzahl y von verbleibenden Meßwer­ ten für den Anschlußwinkel ϕ_An; und
• (m-4) Festlegung des letzten vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} als endgültiger Mittelwert _{An, end} für den Anschluß­ winkel.

Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des Ver­ fahrens zur Kompensation eines fehlerhaften Phasenan­ schlusses eines Blindleistungskompensationsreglers od. dgl.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch eine Zu- und/oder Abschaltung einer Last mit einer bekannten Phase ein schaltungsbedingter Anschlußwin­ kel ermittelt und bei der Bestimmung der tatsächlichen Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignalen von beliebigen Phasen berücksichtigt wird. Weiterhin läßt sich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens z. B. bei Blindleistungskompensationsreglern ein fehlerhafter Phasenanschluß sowie die Anschlußart bestimmen und mit dieser Kenntnis eine korrekte Blindleistungskompensation vornehmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Ansprüche und der nachstehenden Beschreibung, in der eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vor­ liegenden Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen er­ läutert ist.

Die folgende Ausführung gilt für einen dreiphasigen An­ schluß einer Kompensationsanlage an ein Drehstromnetz. Aus einer beliebigen Phase wird ein Stromsignal mittels eines Stromwandlers einem Blindleistungskompensationsregler zu­ geführt. Das Spannungssignal wird in beliebiger Art (Pha­ se/Phase oder Phase/Null) und aus beliebigen Phasen abge­ griffen und dem Blindleistungskompensationsregler zuge­ führt. Die durch den Anschluß bedingte zusätzliche Phasen­ verschiebung zwischen Strom und Spannung kann von null bis 330° betragen. Durch die bestehende feste Phasenbeziehung zwischen den Spannungsphasen kann durch den wahlfreien Anschluß die zusätzliche Phasenverschiebung nur in 30°- Schritten auftreten. Diese Phasenverschiebungen werden im folgenden Anschlußwinkeln ϕ_An genannt und sind für die je­ weiligen Anschlußart charakteristisch.

Werden durch z. B. einen falschen Phasenanschluß Strom- und Spannungssignale von beliebigen Phasen mittels einer Blindleistungskompensationsanlage erfaßt, so würde nach dem herkömmlichen Verfahren eine falsche Phasenverschie­ bung zwischen dem Strom und der Spannung ermittelt und somit nachfolgend eine falsche Kompensation von der Blind­ leistungskompensationsanlage vorgenommen werden. Dies wird jedoch gemäß dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt vermieden:
Wenn ein Meßzyklus an der Blindleistungskompensationsanla­ ge ausgelöst wird, werden 256 digitalisierte Werte I_n und U_n von Strom und Spannung in einen Speicher eingelesen. Die Meßabstände Δt sind äquidistant und die Meßzeit erstreckt sich über genau drei Perioden der Grundwelle. Die beiden ermittelten Kurven werden in dem Speicher abgelegt. Be­ reits fest im Speicher abgelegt sind eine Sin- und eine Cos-Kurve. Diese Kurven erstrecken sich ebenfalls über drei Perioden. Anschließend wird der Wirkstrom I_wirk und der Blindstrom I_blind wie folgt bestimmt

mit

Der Korrekturfaktor Faktor I beinhaltet die Verstärkung der Meßeingänge und den nicht berücksichtigten Faktor 256. Die Ergebnisse für I_wirk und I_blind sind jedoch nur korrekt, wenn die eingespeisten Spannungs- und Stromsignale von der gleichen Phase abgegriffen wurden. Werden Signale von zwei unterschiedlichen Phasen eingespeist, muß vor der Freigabe der Meßergebnisse eine Korrektur erfolgen. Die Bestimmung des Korrekturwinkels (Anschlußwinkels ϕ_An) wurde beim erst­ maligen Anlegen der Betriebsspannung wie folgt bestimmt:
Beim erstmaligen Anlegen der Betriebsspannung führt die vorliegende Blindleistungskompensationsanlage eine An­ schlußarterkennung (automatische Anschlußwinkelerkennung) durch, d. h. sie erkennt selbst, in welcher Phase und mit welchem Anschlußwinkel Strom- und Spannungspfad ange­ schlossen sind. Dazu benötigt die Blindleistungskompensa­ tionsanlage zuallererst die genaue Netzfrequenz f der Grundwelle. Die Blindleistungskompensationsanlage mißt die Netzfrequenz f vor jeder Strom-/Spannungsmessung und inte­ griert die Ergebnisse auf. Somit erhält sie einen Mittel­ wert der Netzfrequenz f der Grundwelle.

Die Blindleistungskompensationsanlage nimmt eine wie oben beschriebene Blindstrom- und Wirkstrommessung vor. Das Ergebnis ist ein Vektor im Zeigerdiagramm (s. Zeich­ nung). Danach schaltet die Blindleistungskompensationsan­ lage eine Kondensatorstufe mit dem erwarteten Phasenwinkel 90° zu und führt eine erneute Messung des Blind- und Wirk­ stroms durch. Das Ergebnis ist der Vektor (s. Zeich­ nung). Die Differenz zwischen den beiden Vektoren be­ schreibt das Zuschalten einer Kondensatorstufe (ϕ_erwartet = -90°) und sollte eine reine Blindstromabnahme sein. Im vor­ liegenden Beispiel (s. Zeichnung) ergibt die Differenz eine Stromänderung (Vektor ) im Wirk- und Blindbereich. Da der erwartete Stromvektor der zugeschalteten Last mit der I_blind-Achse identisch ist, ist der Winkel zwischen dem Differenzvektor D und der I_blind-Achse zu bestimmen. Dieser beträgt im vorliegenden Beispiel 30°. Demnach müssen alle Vektoren im Zeigerdiagramm um 30° gedreht werden, um die tatsächliche Phasenverschiebung zwischen Strom und Span­ nung zu erhalten. Der Anschlußwinkel ϕ_An entspricht dem Winkel zwischen dem Differenzvektor und der I_blind-Achse und ergibt sich allgemein wie folgt

Nachfolgend wird der wahre Wirkstrom I_wirk und Blindstrom I_blind durch Drehung des Stromvektors , die sich mathema­ tisch vollzieht gemäß

I_wirk,wahr=I_wirk,vor·cos(ϕ_An)-I_blind,vor·sin(ϕ_An)

und

I_{blind, wahr}=I_{blind, vor}·cos(ϕ_An)+I_wirk,vor·sin(ϕ_An)

bestimmt. Die wahren Wirk- und Blindströme können nun dazu verwendet werden, die tatsächliche Phasenverschiebung ϕ_wahr gemäß der folgenden Gleichung zu bestimmen

und in Abhängigkeit davon eine oder mehrere geeignete Kon­ densatorstufe (n) zuzuschalten.

Der Anschlußwinkel ϕ_An macht direkt eine Aussage über die Anschlußart von Strom und Spannung. Da der Anschlußwinkel ϕ_An zwischen Strom und Spannung, wie oben erläutert, nur in 30°-Schritten variieren kann, dürften keine Zwischenwerte ermittelt werden. Durch die Dynamik des Strom- und Span­ nungssignals kommt es trotzdem zu anderen Werten für den Anschlußwinkel ϕ_An. Aus diesem Grunde ist der Messung des Anschlußwinkels ϕ_An eine Mittelwertbildung nachgeschaltet. Dazu werden eine Reihe von Bedingungen an die Messungen gestellt. Als erste Bedingung muß die ermittelte Stromän­ derung größer als 25 mA an der Sekundärseite des Strom­ wandlers sein. Die Richtung des Vektors ist dabei unerheb­ lich. Kleinere Stromänderungen werden als Nullstufen in­ terpretiert.

Danach wird der neu ermittelte Anschlußwinkel ϕ_An mit dem zuletzt gemessenen Winkelwert verglichen. Der Unterschied darf maximal 4,5° betragen. Bei einer größeren Abweichung wird die weitere Verarbeitung abgebrochen. Trotzdem wird der eben gemessene Winkel als "zuletzt gemessener Winkel­ wert" abgelegt.

Während des Einmeßvorgangs müssen mindestens acht Werte im Speicher abgelegt sein, bevor die Blindleistungskompensa­ tionsanlage mit ihrer Einmessung fortsetzt.

Im nachfolgenden Betrieb wird bei jeder Schaltung der An­ schlußwinkel und die Kondensatorstufenleistung ermittelt. Die Tabelle für die Winkelwerte wird mit bis zu zwanzig Meßwerten aufgeführt. Danach erhält die Tabelle eine Zeit­ sperre. Nach einem gültigen Eintrag wird die Tabelle für die folgenden eineinhalb Stunden gesperrt. Weitere gültige Meßwerte werden in dieser Zeit nicht abgelegt.

Da die Tabelle nur 24 Speicherplätze hat, wird nach dem 24igsten Wert der älteste Eintrag überschrieben. Auf diese Weise werden die Winkelwerte immer wieder aktualisiert.

Um nun aus der Vielzahl von Anschlußwinkelwerten ein Er­ gebnis zu erhalten, muß eine Mittelwertbildung durchge­ führt werden. Dies geschieht in folgender Weise: Nach der Ermittlung eines vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} wird der Einzelmeßwert mit der größten Abweichung gesucht und gelöscht. Danach wird erneut ein vorläufiger Mittelwert _{An, vorläufig} berechnet und das beschriebene Verfahren wieder angewandt. Der Mittelwert _{An, vorläufig}, der aus den letzten dreizehn Werten berechnet wurde, wird als endgültiger Win­ kelwert _{An, end} herangezogen. Wie schon oben beschrieben, kann die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bei den unterschiedlichen Anschlußarten nur zwölf ver­ schiedene Werte (0×30°, 1×30°, 2×30°, . . . , 11×30°) annehmen. Daher wird das nächstliegende 30°-Raster zu dem ermittelten Winkelwert _{An, end} gesucht, und erst mit diesem Wert wird weitergearbeitet.

Eine derartige Mittelwertbildung ist insbesondere bei stark schwankenden Netzverhältnissen vorteilhaft.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede­ nen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung der tatsächlichen Phasenver­ schiebung zwischen Strom- und Spannungssignalen beliebiger Phasen in Drehstromnetzen, gekennzeichnet durch Zu- und/ oder Abschaltung mindestens einer rein kapazitiven oder einer rein induktiven oder ein rein ohmschen oder einer in ihrer Phasenverschiebung definierten Misch-Last und Ver­ wendung des bei Zu- bzw. Abschaltung gemessenen Differenz­ vektors als Bezugskoordinate in einem Zeigerdiagramm.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

• (a) Ermittlung der Netzfrequenz f;
• (b) Erstellung und Speicherung von s diskreten Werten mit Intervallen Δt für eine cos-Funktion cos_k und eine sin-Funktion sin_k mit der Frequenz f, wobei für die Intervalle Δt gilt
• (c) Erfassung und Speicherung von s diskreten Meßwerten mit dem Meßintervall Δt für einen Strom I_n und eine Span­ nung U_n beliebiger Phasen des Wechselstromes;
• (d) Berechnung der Terme
• (e) Berechnung des Wirkstroms und des Blindstroms wobei Faktor I eine Verstärkung der Meßeingänge und den Faktor s berücksichtigt;
• (f) Zuschaltung der Last;
• (g) Ausführung der Schritte (c) bis (e);
• (h) Berechnung des Differenzvektors zwischen einem Vek­ tor = (I_wirk,nach, I_blind,nach) nach Zuschaltung und einem Vek­ tor = (I_wirk,vor, I_blind,vor) vor Zuschaltung im Zeigerdia­ gramm;
• (i) Bestimmung des Anschlußwinkels ϕ_An anhand des Winkels zwischen dem Differenzvektor - und dem erwarteten Stromvektor im Zeigerdiagramm gemäß: wobei ϕ_erwartet dem erwarteten Winkel des erwarteten Strom­ vektors der zugeschalteten Last zur I_wirk-Achse entspricht, mitΔI_b=I_blind,nach-I_blind,vorΔI_w=I_wirk,nach-I_wirk,vor
• (j) Drehung des Vektors im Zeigerdiagramm um ϕ_An und Be­ stimmung der wahren Stromwerte gemäß I_wirk,wahr=I_wirk,vor·cos(ϕ_An)-I_blind,vor·sin(ϕ_An)undI_blind,wahr=I_blind,vor·cos(ϕ_An)+I_wirk,vor·sin(ϕ_An)
• (k) Berechnung der tatsächlichen Phasenverschiebung zwi­ schen I_wirk und I_blind gemäß

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem die Schritte umfaßt:

• (l) x-fache Wiederholung der Schritte (c) bis (k), wobei die jedesmal ermittelten Werte für den Anschlußwinkel ϕ_An gespeichert werden; und
• (m) Bildung eines Mittelwerts _An mittels der gespeicherten Werte ϕ_An.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (m) die folgenden Schritte umfaßt:

• (m-1) Bildung eines vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} mit­ tels aller gespeicherten Werte _An;
• (m-2) Ermittlung und Löschung des Einzelwertes ϕ_An mit der größten Abweichung von dem vorläufigen Mittelwert _{An, vorläufig};
• (m-3) Bildung eines vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} mit­ tels der verbleibenden Werte ϕ_An und Wiederholung dieses Schritte s bis zu einer Anzahl y von verbleibenden Meßwer­ ten für den Anschlußwinkel ϕ_An; und
• (m-4) Festlegung des letzten vorläufigen Mittelwerts _{An, vorläufig} als endgültiger Mittelwert _{An, end} für den Anschluß­ winkel.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Kompensation eines fehlerhaften Phasenan­ schlusses eines Blindleistungskompensationsreglers od. dgl.