DE3207146C2

DE3207146C2 - Anordnung zum Bestimmen der Flußrichtung der über eine Starkstromversorgungsleitung bewirkten Energieübertragung

Info

Publication number: DE3207146C2
Application number: DE3207146A
Authority: DE
Inventors: Shunichi Tokyo Kobayashi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-03-05
Filing date: 1982-02-27
Publication date: 1984-05-03
Also published as: GB2094987A; US4486706A; JPS57146168A; GB2094987B; DE3207146A1; JPH0379667B2

Abstract

Zum Anschluß an Starkstromleitungen dienender Leistungsflußdetektor mit einem Schaltkreis zur Erzeugung von Signalen, deren Impulsbreite der Phasenverschiebung zwischen der Betriebsspannung und dem Betriebsstrom der Starkstromleitung entspricht. Das Ausgangssignal dieses Schaltkreises wird integriert und dann mit einer Referenzspannung verglichen. Die Richtung des Leistungsflusses wird dadurch gestimmt, ob das integrierte Spannungssignal größer oder kleiner als die Referenzspannung ist.

Description

mit einem ersten, von der an der Starkstromversorgungsleitung (10) anstehenden Spannung gesteuerten Rechteckwellen-Generator (13),
mit einem von dem über die Starkstromleitung (10) fließenden Strom gesteuerten zweiten Rechteckwellen-Generator (14),
mit einem mit den Rechteckwellen des ersten (13) und den invertierten Rechteckwellen des zweiten Rechteckwellen-Generators (14) gesteuerten Und-Gatter (151) sowie einer diesem nachgeordneten Integrationsschaltung (16),

gekennnzeichnet durch

— eine Komparatorschaltung (19), welche die Ausgangsspannung der Integralionsschaltung (16) mit einem vorgegebenen Bezugswert vergleicht und dessen Ausgangssignal zur Kennzeichnung der Flußrichtung benutzt wird,

— durch eine zweite Integrationsschaltung (17), welche die Rechteckwellen des ersten Rechteckwellen-Generators (13) integriert, und

— durch einen Spannungsteiler (18), der eine Teilspannung des Ausgangssignales der zweiten Integrationsschaltung (17) der Komparatorschaltung (19) als Bezugswert zuleitet.

2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß einem Anschluß des Und-Gatters (151) ein Inversionsglied (152) vorgeschaltet ist, welches durch die Ausgangssignale des zweiten Rechteckwellen-Generators (14) gespeist wird.

M Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestim-

% men der Flußrichtung der über eine Starkstromversor-

& gungsleitung bewirkten Energieübertragung mit Hilfe

■|| der Phasendifferenz zwischen der an der Starkstrom-

ff Versorgungsleitung anstehenden Spannung und dem

; j über diese übertragenen Strom, mit einem ersten, von

k der an der Starkstromversorgungsleitung anstehenden

'A Spannung gesteuerten Rechteckwellen-Generator, mit

;'^;| einem von dem über die Starkstromleitung fließenden

;$ Strom gesteuerten zweiten Rechteckwellen-Generator,

^;.i·' mit einem mit den Rechteckwellen des ersten und den

:;: invertierten Rechteckwellen des zweiten Rechteckwel-

len-Generators gesteuerten Und-Gatter sowie einer

diesem nachgeordneten Integrationsschaltung.
ι- Derartige Anordnungen zum Bestimmen der Flußrichtung der über eine Starkstromversorgungsleitung bewirkten Energieübertragung werden beispielsweise in Verbundnetzen der Stromversorgung benutzt, um für bestimmte Punkte, bspw. Speisepunkte, sowohl die Übertragungsrichtung der Energie als auch die Phasenlage der Ströme zu bestimmen. Wesentlich ist es, zwecks Aufrechternaltung des Gleichgewichtes von verbrauchter und gelieferter elektrischer Energie überschüssige Leistungen in das Verbundnetz so einzuspeisen, daß ein an anderen Stellen auftretender Leistungsmangel gedeckt wird, und zur Steuerung eines Kraftwerkes im Verbund ist es wesentlich. Phasenlage und Richtungsfluß der über die Starkstromversorgungsleitung übertragenen Energie zu kennen.

Bei einem mit einer Time-Sharing-Vervielfacherschaltung arbeitenden Wirkverbrauchszähler wird die

ίο Ausgangsspannung der Vervielfacherschaltung integriert und die integrierte Gleichspannung einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer aufgeschaltet, wobei das Ausgangssignal des Umsetzers anzeigt daß Energie verbraucht wird. Bei einem Flußrichtungsdetektor herkömmlicher Art wird eine Ausgangsspannung einer zum Spannungs-Frequenz-Umsetzer gehörenden Integrationsschaltung ausgewertet: Energie wird abgegeben, wenn die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung positiv ist, wohingegen elektrische Energie von anderen Umspannstationen zugeführt wird, wenn die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung negativ ist. Die bekannte Integratorschaltung weist einen Operationsverstärker auf, dessen Vorspannungen das Resultat beeinflussen, so daß ein nur ungenaues Meßergebnis erzielbar ist.

Aus der DE-AS 23 37 314 ist ein Meßglied zur Erfassung der Znergierichtung in einem elektrischen Netz bekannt, von dem im wesentlichen nur ein astabiler Multivibrator offenbart ist, der mit der Netzfrequenz synchronisiert wird und beim Ausfall der Netzspannung, bspw. durch einen Kurzschluß, selbst weiterschwingend für weitere Messungen ein Spannungssignal zur Verfügung stellt. Von dem eigentlichen Meßglied ist nur ausgesagt, daß mit den Strom- und Spannungswellen des

j5 Netzes Rechteckimpulse synchronisiert sind, deren Koinzidenzzeit als Maß für den Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung festgestellt wird.

Aus der DE-OS 24 50 252 ist eine Richtungslogik für einen elektronischen Elektrizitätszähler bekannt, die nur aufgrund des mittels eines D-Flip-Flop ermittelten Vorzeichens der Phasenschiebung die grobe Angabe gestattet, ob Energie bezogen oder geliefert wird.

Auch die Proc. IEE, November 1970. Nr. 11, S. 2133 bis 2141 zeigen nur das Blockschaltbild eines Phasenkomparators auf, der aufgrund von Leitungsströmen sowie von Kombinationen von Spannungen und Strömen abgeleitete Signale einer vier Eingangssignale verarbeitenden Koinzidenzschaltung zuleitet, und dem über einen Integrator und eine Schwellwertstufe ein Abschaltsignal entnommen wird. Eine Bestimmung der Phasendifferenz in Verbindung mit der Ermittlung der Stromflußrichtung ist auch hier nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche ein Signal liefert, das verläßlich die Flußrichtung der Energieübertragung mit Hilfe einer exakten Bestimmung der an einer Starkstromversorgungsleitung auftretenden Phasendifferenz angibt, und bei welcher eine Einstellmöglichkeit der Anordnung auf bestimmte Phasendifferenzen gegeben ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale, so daß mit relativ geringem Aufwände gesicherte Ergebnisse erhalten werden. Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

b5 Im einzelnen werden die Meikmalc der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbcispieles in Verbindung mit dieses und dessen Arbeitsweise darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt

hierbei

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung zum Bestimmen der Flußrichtung der über einer .Starkstromversorgungsleitung bewirkten Energieübertragung,

Fig.2 ein vereinfachtes Schaltbild der Anordnung nach F ig. 1,

F i g. 3 bis 5 den Spannungsverlauf von in der Anordnung nach F i g. 1 und 2 auftretenden Signalen darstellende Diagramme, und

F i g. 6 ein iCennliniendiagramm der Anordnung nach Fig. Iund2.

In Fig. 1 ist ein Meß-Spannungswandler 11 gezeigt, ' der von einer Leitung einer in dieser Figur nicht dargestellten Starkstromversorgungsleitung gespeist ist und r eine deren Spannung proportionale Ausgangsspannung ev abgibt. In gleicher Weise ist ein Meß-Stromwandler 12 vom in einer Leitung einer Starkstromversorgungsleitung fließenden Strom beaufschlagt und gibt eine die-"^r> sem proportionale Ausgangsspannung ei ab. Von den als Komparator ausgebildeten Rechteckwellen-Generatoren 13 und 14 werden diese Spannungssignale ev und ei in Rechteckimpulse umgesetzt. Diese Rechteckimpulse werden einer logischen Stufe 15 zugeführt, die aufgrund der beiden zugeführten Rechteckimpulse Signale erzeugt, deren Impulsbreite der relativen gegenseitigen Verschiebung der eingegebenen Rechteckimpulse entspricht.

Dieses Ausgangssignal der logischen Stufe 15 wird in einer ersten Integrationsschaltung 16 integriert, während in einer zweiten Integrationsschaltung 17 das Ausgangssignal des Rechteckwellen-Generators 13 integriert wird, dessen Impulsbreite sich ja über eine Halbperiode und damit 180° der Ausgangsspannung ev erstreckt. Mittels eines nachgeordneten Spannungsteilers 18 wird vom Ausgang der zweiten Integrationsschaltung 17 eine Teilspannung abgegriffen, die bspw. einer Impulsbreite von 90° entspricht.

Eine Komparatorschaltung 19 bekommt nun die Ausgangsspannungen der ersten Integrationsschaltung 16 sowie des Spannungsteilers 18 aufgeschaltet und bewirkt ein impulsförmig auftretendes Ausgangssignal, wenn die von der ersten Integrationsschaltung 16 her aufgeschaltete Ausgangsspannung die des Spannungsteilers 18 überschreitet. Wie in der vorliegenden Beschreibung noch erläutert wird, zeigt ein solches, von der Komparatorschaltung 19 abgegebenes Signal die Richtung des Leitimgsflusses als »Leistung wird aufgenommen« an.

In F i g. 2 ist die im Blockschaltbild der F i g. 1 dargestellte Anordnung als stark vereinfachtes Schaltbild gezeigt. Mit zwei Adern einer Starkstromversorgungsleitung 10 ist die Primärwicklung 111 des Meß-Sppnnungswandlers 11 verbunden, so daß die von seiner Sekundärwicklung 112 abgegebene Spannung ev die Betriebsspannung der Starkstromversorgungsleitung 10 nachbildet. In eine Ader der Starkstromversorgungsleitung 10 ist die Primärwicklung 121 des Meß-Stromwandlers 12 gelegt, so daß die von dessen Sekundärwicklung 122 am Widerstand 123 induzierte Spannung e/dem in der betreffenden Ader des Starkstromversorgungsleitung fließenden Strom entspricht.

Der Rechteckwellengenerator 13 weist einen Operationsverstärker 131 auf, dessen nicht invertierender Eingang an der Sekundärwicklung 112 des Meß-Spannungswandler!. 11 lieg', während sein invertierender Eingang sowohl an Masse als auch am Fußpunkte der Sekundärwicklung 112 liegt. Damit wird die vom Meß-Spannungswandler 11 abgegebene Ausgangsspannung evin Impulssignale umgesetzt, welche jeweils die positive Halbwelle der Ausgangsspannung ev nachbilden.

Auch der zweite Rechteckwellengenerator 14 ist gleichartig durch einen Operationsverstärker 141 verkörpert, dessen nicht invertierender Eingang mit der Sekundärwicklung 122 des Meß-Stromwandlers 12 bzw. dem Widerstände 123 verbunden ist, während sein invertierender Eingang an Masse liegt und damit mit dem Fußpunkt der Sekundärwicklung 122 verbunden ist Damit wird eine Ausgangsspannung erzielt welche den positiven Halbperioden der vom Meßstromwandler 12 abgegebenen Spannung ei und damit der Phasenlage des in der Starkstromversorgungsleitung 10 erfaßten Stromes entspricht.

Zusn Aufbau der logischen Stufe 15 sind ein Und-Gatter 151 und ein einem Eingange desselben vorgeordnetes Inversionsglied 152 herangezogen. Damit werden die an den Schaltungspunkten A und B anstehenden Ausgangsspannungen der Rechteckwellen-Generatoren 13 und 14 in einem Falle direkt, im anderen Falle invers den Eingängen des Und-Gatters 151 aufgeschaltet, so daß dieses Impulssignale abgibt, welche der Differenz der Phasenlagen der Spannungssignale ev und ei entsprechen.

Die lntegr?tionsschaltungen 16 und 17 sind jeweils durch einen Widerstand 161 bzw. 171 sowie einen Kondensator 162 bzw. 172, dessen Basis mit der negativen Stromversorgung Vss verbunden ist, verkörpert. Die erste Integrationsschaltung 16 integriert das Ausgangssignal der logischen Stufe 15, das der Phasendifferenz der Spannungssignale ev und ei entspricht, während die zweite integrationsschaltung 17 das am Spannungspunkte A anstehende Signal integriert, das eine Impulsbreite von 180° aufweist.

Der Spannungsteiler 18 ist durch einen Vorwiderstand 181 und einen Querwiderstand 182 gebildet, dessen Fußpunkt am negativen Pol der Stromversorgung Vss liegt. Da die Widerstände im Ausführungsbeispiel mit gleichem Werte ausgeführt sind, wird die halbe Eingangsspannung abgegeben, welche der integrierten Spannung eines Eingangsimpulses mit einer 90° entsprechenden Impulsbreite entspricht.

Die Komparatorschaltung 19 weist einen Operationsverstärker 191 auf, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Ausgang der ersten Integrationsschaltung 16 verbunden ist, während sein invertierender Eingang mit der Ausgangsspannung des Spannungsteilers 18 beaufschlagt wird. Damit ergibt sich an seinem Ausgang dann ein Spannungsimpuls, wenn die von der Integrationsso schaltung 16 her aufgeschaltete Ausgangsspannur.g größer ist als die des Spannungsteilers 18.

Arbeitsbeispiele werden im folgenden anhand der in den Fig. 3 bis 5 wiedergegebenen Diagramme erläutert. Bei den einzelnen Figuren ist jeweils im oberen Abschnitt der sinusförmige Verlauf der Spannungen ev in Vollinien und ei gestrichelt dargestellt. Darunter wird der zugehörige Spannungsverlauf an den Schaltungsknoten A, B und Cder Fig. 2 aufgezeigt. In jeder der Fig. 3 bis 5 ist links, bezeichnet mit a, ein Zustand der Energieabgabe und rechts, bezeichnet mit b, ein Zustand der Energieaufnahme veranschaulicht. Mit Fi g. 6 ist eir zugehöriges Diagramm gezeigt, das die Abhängigkeit der Impulsbreite der am Ausgange der logischen Stufe 15 bzw. am Schaltungsknoten C auftretenden Signale von der in der Abszisse dargestellten Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom der Starkstromversorgungsleitung 10 bzw. den diesen entsprechenden Spannungen evund ei aufzeigt. Die voll ausge-

zogene Linie gilt hierbei für den Zustand der Energieabnahme, während die strichpunktierte Linie Zustände der Energieaufnahme veranschaulicht. Zur Erleichterung des Vergleiches zwischen den Diagrammen der F i g. 3 bis 5 und der Kennlinie der F i g. 6 sind in dieser diskrete am Schaltungsknoten C auftretende Spannungen mit zugehörigen Indizes eingetragen, die auch in das jeweils zugehörige Diagramm der Fig 3 bis 5 mit aufgenommen sind.

In Fig.3a ist ein Belegungszustand der Starkstromversorgungsleitung 10 veranschaulicht, bei dem Strom und Spannung und damit auch die Ausgangsspannung des Meß-Spannungs- und des Meß-Stromwandlers ev bzw., gestrichelt, ei, gleichphasig sind. In den beiden Rechteckweüen-Gencratorcn 13 und 14 werden diese Spannungen umgeformt und stehen an deren Ausgängen bzw. den Schaltungsknoten A und B entsprechend den unter diesem Buchstaben dargestellten Rechteckspannungen an. Da die sie bewirkenden Ausgangsspannungen ev und ei gleichphasig waren, stehen bei den Rechteckimpulsen auch die jeweilig einander entsprechenden Flanken untereinander. Die logische Stufe 15 gibt das A- und das invertierte S-Signal auf das Und-Gatter 151, das somit nicht anspricht: Wird der eine Eingang mit der Impulsspannung des Signales A beaufschlagt, so erhält der andere das gleichliegende invertierte Signal, so daß sich als Ausgangsspannung die logische »Null« ergibt. In der Kennlinie der Fig. 1 ergibt sich für die Abszisse 0 entsprechend Q auch die Ordinate 0.

In Fig. 3b wird der Fall einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und damit den Ausgangsspannungen ev und ei von 180° veranschaulicht. Die am Schaltungsknoten A auftretenden Impulse und die invertierten des Schaltungsknotens B öffnen jeweils das Und-Gatter 151, so daß als Signale Impulse einer Breite von 180° auftreten, d. h., die Impulsbreite entspricht der der Impulslücken, und im Diagramm der Fig. 6 ergibt sich für eine Phasendifferenz von 180° eine Impulsbreite von 180° im Punkte C₂.

In F i g. 4a wird der Fall einer Phasennachstellung von 60% veranschaulicht, die im Punkte Cj zu einer Impulsbreite von 60° führt, die sich mit stärker werdender Nacheilung in Richtung des Pfeiles D ausdehnt, der sowohl in Fig.4a als auch in der Kennlinie der Fig.6 angedeutet ist. Ein weiterer Zustand ist in Fig.4b gezeigt, die zum Signal und Arbeitspunkt & führt. Wächst die Phasenschiebung weiterhin an, so verringert sich die Impulsbreite im Sinne des Pfeiles £

Die F i g. 5 steht für eine Phasenvoreilung von 60° bei Energieabgabe und -aufnahme. Hiiiici der logischen Stufe 15 ergeben sich am Schaltungsknoten Cdie Signale C5 bzw. Cb, die auch im Diagramm der F i g. 6 vermerkt sind. Im Falle der F i g. 5a besteht für eine wachsende Phasenvoreilung die Tendenz der Verbreiterung des Impulses Q im Sinne des Pfeils F, während nach F i g. 5b für eine Vergrößerung der Voreilung die Tendenz der Verschmalerung der Impulse Q, im Sinne des Pfeiles G besteht.

Anhand des Diagrammes der Fig.6 läßt sich erläutern, daß die Phasenschiebung zwischen den Ausgangsspannungen ev und ei üblicherweise geringer als 90° ist, wobei die Ausgangsspannung ei vor- oder nacheilen kann: In diesen Fällen wird Energie abgegeben, und die am Ausgange der logischen Stufe 15 auftretende Signalspannung weist eine Impulsbreite auf, die geringer als 90° ist. Wird dagegen Energie aufgenommen, so überschreitet diese Impulsbreite den Phasenwinkel von 90°.

!5 Im in F i g. 3a gezeigten Betriebszustande der Starkstromversorgungsleitung 10 verschwindet das Ausgangssignal der logischen Stufe 15, und dessen Impulsbreite ist gleich Null zu setzen. Dementsprechend ist auch das Ausgangssignal der ersten Integrationsstufe 16 Null, und von der zweiten Integrationsschaltung 17 wird der am Schaltungsknoten A auftretende Impuls von 180° Breite integriert, und die dieser Impulsbreite entsprechende Ausgangsspannung wird vom Spannungsteiler 18 auf den halben Spannungswert gebracht, der damit einer Impulsbreite von 90° entspricht. In der Komparatorschaltung 19 werden das Ausgangssignal der ersten Integrationsschaltung 16 und das des Spannungsteilers 18 miteinander verglichen, und im vorliegenden Falle ergibt sich ein Ausgangssignal von Null.

Für diesen Zustand wird durch Verschwinden des Ausgangssignales der Komparatorschaltung 19 damit der Betriebszustand als »Energieabgabe« im Punkt Q des Diagrammes der F i g. 6 ausgewiesen.
Die weiteren als Beispiel ausgewählten Betriebszustände lassen sich anhand der Betriebspunkte Ci bis C angeben. In Fig.4b bspw. entsprechend dem Betriebspunkt G weist das von der logischen Stufe 15 abgegebene Signal eine Impulsbreite von 120° auf. Dieses wird durch die erste Integrationsschaltung 16 integriert und ergibt eine dieser Impulsbreite entsprechende Spannung. Die Komparatorschaitung 19 vergleicht diese mit dem konstant bleibenden Ausgangssignal des Spannungsteilers 18 und bewirkt damit ein die Energieaufnahme kennzeichnendes Signal.

Die Anordnung erlaubt, mit relativ einfachen Mitteln sicher und verläßlich Betriebszustande auf Leitungen zu erfassen und insbesondere anzugeben, ob Leistung bezogen oder abgegeben wird. Zwar sind auch hier Operationsverstärker eingesetzt, deren Arbeitsweise von deren Vorspannungen abhängt. Die Anordnung ist jedoch durch die Art der Verwendung der Operationsverstärker so ausgelegt, daß das Meßergebnis durch diese Eigenschaften von Operationsverstärkern nicht beeinträchtigt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Bestimmen der Flußrichtung der über eine Starkstromversorgungsleitung bewirkten Energieübertragung mit Hilfe der Phasendifferenz zwischen der an der Starkstromversorgungsleitung anstehenden Spannung und dem über diese übertragenen Strom,