Simultan abtastender A/D-Wandler erfasst drei Phasen plus Nullleiter für Systeme in Smart-Grid-Anwendungen

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Eine typische Applikationsschaltung

Weltweit haben sich dreiphasige Netze in der Energieversorgung etabliert. Die Phasen sind um 120° zueinander versetzt und werden meist in Sternschaltung (WYE Connection) betrieben. Als vierte Leitung kann der Neutralleiter in dieser Beschaltung, bei unsymmetrischer Lastverteilung Strom aufnehmen. Sind hingegen die Lasten für jede der drei Phasen gleich, fließt kein Strom über den Neutralleiter ab.

Bild 1 zeigt eine typische Beschaltung zur Netzüberwachung. Mithilfe eines Übertragers wird für jede Phase der Strom (CT; Current Transformer) und die Spannung (PT; Potential Transformer) erfasst. Das ganze System besteht aus vier solcher Übertrager-Paare, jeweils für die drei Phasen und für den Neutralleiter.

Der A/D-Wandler misst gleichzeitig Strom und Spannung der Phasen und des Neutralleiters. Aus diesen digitalisierten Daten kann man die Wirk-, Blind- und Scheinleistung ermitteln sowie den Leistungsfaktor (Power Factor) berechnen. Mit diesen Angaben ist es möglich, die Lasten dynamisch anzupassen. Damit macht man eine Leistungsfaktorkorrektur und steigert somit Energieeffizienz. Führt man diese Daten einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) zu, kann die Netzfrequenz und deren harmonische Oberwellen ermittelt werden, woraus sich wiederum Rückschlüsse auf Systemverluste und unerwünschte Störungen ziehen lassen.

Systemvoraussetzungen für eine kontinuierliche Messung

Ein Metering-System muss kontinuierlich den Strom und die Spannung messen, dies geschieht mit Abtastraten von bis zu 60 Hz × 256 Messungen pro Periode (60 Hz = Netzfrequenz in den USA). Somit werden also Wandler-Raten von 15.360 Samples per Second (sps) benötigt, um den Anforderungen der Standards gewachsen zu sein.

Der Dynamikbereich bei der Spannungserfassung kann aus maximaler und nomineller Spannung berechnet werden. Zum Beispiel sei in einer Beschaltung im Fehlerfall mit Spannungsspitzen von 1,5 kV zu rechnen. Die Nominalspannung sei 230 V bei der 0,2% Genauigkeitsklasse. Damit muss der Dynamikbereich des Subsystems wie folgt sein:20log((1500 V/230 V) × 2000 ) ≥ 82,3 dBHinweis: Für alle Berechnungen wurde eine Genauigkeit von 0,05% als Berechnungsgrundlage herangezogen (daher der Wert 2000 in obiger Formel), die besser als die geforderten 0,2% sind. Dies ist eine Sicherheitsmarge, um die geforderten Vorgaben einhalten zu können.

Auch die Bedingungen der Strommessung müssen in der Spezifikation für den A/D-Wandler berücksichtigt sein. Geht man von nominell 10 A und 100 A als Spitzenwerte aus, so wird der Dynamikbereich des Strommessungssubsystems wie folgt sein:

20log((100 A/10 A) × 2000 ) ≥ 86 dB

Diese Beispielrechnungen zeigen, dass man für Netzüberwachungsapplikationen leistungsfähige A/D-Wandler benötigt. Um den 86-dB-Dynamikbereich zu erreichen, benötigt man eine 16-Bit-Auflösung für den A/D-Wandler, sowie Abtastraten von mindestens 16 ksps. Zur Überwachung der drei Phasen und des Neutralleiters sind bis zu acht Kanäle erforderlich, um Strom und Spannung messen zu können. Zusätzlich ist für Systeme mit Leistungsfaktor-Messung bzw. –Korrektur wichtig, dass der durch Strom- und Spannungsübertrager hervorgerufene Phasenversatz korrigiert werden kann.

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