ElektrizitätsZähler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrizitätszähler wel¬ cher Sigma-Delta-Modulatoren und eine digitale Signalverar¬ beitungseinrichtung aufweist.

Aus der DE 40 21 522 AI ist ein elektronischer Schalter be- kannt, der je zu erfassender Netzphase einen Sigma-Delta-Mo- dulator (ΣΔ-Modulator)umfaßt, welchem ein Dezimationsfilter nachgeschaltet ist. Die Ausgänge der Dezimationsfilter sind über eine Schaltlogik miteinander verknüpft, deren Ausgang auf ein Stellglied zum Unterbrechen der Stromzufuhr geführt ist. Dieser Schalter dient dazu, einen Überstrom zu erfassen und bei einem vorgegebenen Grenzwert eine Abschaltung zu er¬ zielen. Bei einem Fehler innerhalb einer der Signalkanäle, z. B. einer Unterbrechung, kann gegebenenfalls kein Überstrom erfaßt werden, so daß auch eine Auslösung nicht möglich ist.

Aus der EP 0 634 662 AI ist ein Elektrizitätszähler bekannt, welcher Signalkanäle mit Multiplexern aufweist, auf deren Eingänge mittels Wandler erfaßte Strom- und Spannungssignale eines Verbrauchers geschaltet sind. Weiterhin sind dort Sig- ma-Delta-Modulatoren und eine digitale Signalverarbeitungs¬ einrichtung vorgesehen.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Elektrizitätszähler anzugeben, bei dem eine weitgehende Selbstüberwachung für seine Meßka¬ näle gegeben ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Elektrizi¬ tätszähler mit drei Signalkanälen, die auf eine digitale Si- gnalverarbeitungseinrichtung geführt sind, wobei jeder Si¬ gnalkanal folgende Mittel umfaßt:

- einen Multiplexer, auf dessen Eingänge mittels Wandlern erfaßte Strom- und/oder SpannungsSignale eines elektrischen Verbrauchers geschaltet sind,

- einen dem Multiplexer nachgeschalteten ΣΔ-Modulator, - wobei auf den ersten und zweiten Signalkanal Spannungs- bzw. Stromsignale und auf den dritten Signalkanal dieselben Signale und gegebenenfalls weitere Signale geschaltet sind, und

- wobei in der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (DS) ein Vergleich von gleichen Signalen erfolgt und beim Auf¬ treten einer Signalabweichung, die einen vorgegebenen er¬ sten Wert überschreitet, ein Fehlersignal erzeugt wird.

Auf diese Weise können Fehler innerhalb der einzelnen Meßka- näle zuverlässig erkannt werden. Dabei werden die den jewei¬ ligen unterschiedlichen Signalkanälen zugeordneten Signale zur Bildung von Vergleichswerten verwendet, so daß eine Plau- siblitätskontrolle der erfaßten Meßwerte oder Signale möglich ist. Auf diese Weise kann beispielsweise festgestellt werden, ob ein interner oder externer Fehler vorliegt, wobei durch logische Verknüpfungen in der DS gegebenenfalls eine nähere Eingrenzung oder Lokalisierung des Fehlers möglich ist.

Bevorzugt erfolgt der Vergleich zwischen gleichen Signalen unterschiedlicher Kanäle. Durch die Redundanz bei der Signal¬ erfassung über verschiedene Signalkanäle ist eine hohe Si¬ cherheit bei der Meßwertverarbeitung, gegeben. Ein Ausfall ei¬ nes Kanals wird zuverlässig erkannt.

Eine Erweiterung der Signalverarbeitung ist dadurch erzielt, daß zwischen dem dritten Multiplexer und der DS ein vierter Multiplexer geschaltet ist, auf dessen weiteren Eingängen gegebenenfalls nochmals die weiteren Signale geführt sind.

Mit Vorteil ist zumindest den ersten drei Multiplexern zu¬ sätzlich ein Erd- oder Massepotential als Eingangssignal zu¬ geführt. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, einen

Offset-Fehler des jeweiligen Meßkanals, insbesondere des ΣΔ- Modulators, zu erfassen.

Als weitere Signale können bevorzugt eine HilfsSpannung, ein Hilfs- oder Nulleiterstrom, ein Temperatur- oder ein Span¬ nungssignal vorgesehen sein. Diese Signale können in der DS ebenfalls einer Meßwertüberwachung unterzogen werden oder als Vergleichsignal oder Referenz für die übrigen Signale dienen. Dadurch sind auch weitere Vergleiche zwischen Signalen mög- lieh, wobei durch zusätzliche Plausibilitätskontrollen eine gute Selbstüberwachung des Zählers gegeben ist.

Eε ist von Vorteil, wenn in der DS mit Hilfe eines Oszilla¬ tors, insbesondere eines Quarzoszillators, die Netzfrequenz der erfaßten Spannungsignale gemessen wird. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Frequenzgrenzwertes wird ein Fehlersignal erzeugt. Üblicherweise kann davon ausgegangen werden, daß die mit der Spannung erfaßte Netzfrequenz relativ konstant ist und innerhalb bestimmter Grenzen liegt. Bei einer unzulässig großen Abweichung der gemessenen Netzfrequenz von ihrem Soll¬ wert kann daher auf ein Fehler des Oszillators oder im Pro¬ grammablauf in der DS geschlossen werden.

Es ist günstig, wenn von den im zweiten Signalkanal erfaßten Stromsignalen eine erste Summe gebildet und mit einem Strom¬ grenzwert verglichen wird und bei Überschreiten des Strom¬ grenzwertes ein drittes Fehlerεignal- erzeugt wird. Dadurch sind Unsymmetrien in der Signalverarbeitung erfaßbar. Gege¬ benenfalls kann mit Vorteil zu der ersten Summe der Ströme zusätzlich noch der Nulleiterstrom addiert sein. Dies ist insbesondere bei Anwendungen in Ländern günstig, in denen der Nulleiterstrom zugänglich ist oder gemessen werden soll.

Bevorzugt sind die Multiplexer miteinander synchronisiert. Dadurch ist ein Vergleich von zeitgleichen Meßwerten oder Si¬ gnalen möglich. Dies gilt insbesondere für die Bildung von Zählwerten bei einer Verbrauchsmesεung und für die Überwa-

chung des Zählers. Bevorzugt ist die Anzahl der Eingänge der jeweiligen Multiplexer für die Erfassung von dreiphasigen Netzwerten - entsprechend einem dreiphasigen Drehstromnetz - angepaßt.

Mit Vorteil ist zwischen den ΣΔ-Modulatoren und der DS je¬ weils ein Dezimationsfilter geschaltet. Auf diese Weise wer¬ den die von den ΣΔ-Modulatoren abgegebenen Bitströme mit der -je nach Anforderung- gewünεchten Auflösung als digitale Wor- te für die weitere Signalverarbeitung zur Verfügung gestellt. Je nach Auslegung deε Filterε kann dabei beispielsweise eine hohe Auflösung oder eine schnelle Signalverarbeitung erzielt werden. Das Dezimationsfilter kann dazu per Soft- oder Hard¬ ware einεtellbar εein, wodurch gegebenenfallε auch weitere Anwendungsmöglichkeiten oder Anwendungsgebiete für den Zähler gegeben sind.

Es ist günstig, wenn in der DS in Abhhängigkeit von zumindest einem der Fehlersignale ein Ausfall einer der Signalkanäle erfaßt wird und im Fehlerfall das dadurch jeweilε fehlende

Signal über einen der intakten Signalkanäle erfaßt wird. Da¬ mit iεt im Fehlerfall quasi ein unterbrechungsfreier Betrieb des Zählers möglich. Daε gewünεchte Signal wird einfach über einen intakten Signalkanal erfaßt und der Signalverarbeitung zugeführt, wodurch kein Verluεt von zu erfaεεenden Ver¬ brauchswerten gegeben ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, weitere Vorteile und Details werden nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:

FIG 1 ein Blockschaltbild eines Elektrizitätszählers.

Nachfolgend εind gleiche Detailε mit gleichen Bezugεzeichen verεehen, wobei gleiche Detailε unterschiedlicher Gruppen durch zusätzliche Buchstaben entεprechend dem jeweiligen Si¬ gnalkanal a,b,c voneinander unterschieden werden.

FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Elektrizitätszählers (Zähler 1) mit drei Signalkanälen a,b,c, die auf eine gemein¬ same digitale Signalverarbeitungseinrichtung, nachfolgend DS 5 genannt, geführt sind. In der DS 5 erfolgt eine Meßwertver- arbeitung zur Verbrauchεmeεεung und für weitere Funktionen deε Zählerε 1. Die DS 5 iεt bevorzugt alε digitaler Signal¬ prozessor ausgebildet. Sie kann jedoch auch als Rechenein¬ richtung mit einem Mikrocomputer oder als festverdrahtete Lo¬ gikschaltung auεgeführt sein. Wesentlich ist dabei, daß eine digitale Signalbearbeitung der von den Signalkanälen a,b,c bereitgestellten Signalen oder Daten möglich ist.

Der DS 5 ist gegebenenfalls noch eine weitere Anordnung 7 nachgeschaltet, die Anzeigemittel 9 und/oder eine Schnitt- stelle 11 umfaßt. Die Anordnung 7 kann dabei beiεpielεweiεe alε digitale Verarbeitungsanordnung mit einem Mikroprozesεor ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, daß die DS 5 und die Anordnung 7 eine Baueinheit bilden oder von einem gemeinsamen Bauteil, insbesondere einem Rechner, gebildet sind. Speziell können alle in der FIG gezeigten Komponenten des Zählers 1 auf oder in einem Bauteil, insbesondere einem IC oder ASIC, vereinigt sein. Gegebenenfalls kann der Anordnung 7 auch eine weitere Einrichtung 12 zugeordnet sein, die für den Betrieb benötigte Hilfseinrichtung, z.B. Speicher, einen Oεzillator, einen Rechner oder Ein/Auεgabemittel, umfaßt.

Der erεte Signalkanal a iεt vorliegend als Spannungskanal, der zweite Signalkanal b als Stromkanal und der dritte Si¬ gnalkanal c als Kanal für weitere Signale oder Hilfsgrößen ausgebildet. Vorliegend wird davon ausgegangen, daß dreipha¬ sige Signale von einem entsprechenden Verbraucher oder Netz verarbeitet werden. Dem ersten Signalkanal a εind daher die Spannungεεignale Ul biε U3 zugeführt. Der zweite Signalkanal b erhält die Stromεignale II biε 13 der jeweiligen Phaεen. Ein Einεatz bei Verbrauchern mit mehr oder weniger Phasen ist - gegebenenfallε mit entεprechenden Anpaεsungen - sinngemäß möglich.

Auf den dritten Signalkanal c sind weitere Signale In, Un geschaltet. Als weitere Signale können beliebige zu überwa¬ chende Signale dienen, z.B. ein Temperatursignal oder ein sonstiges Spannungs- oder Stromsignal. In der FIG ist bei¬ spielhaft dem dritten Signalkanal c ein Nulleiterstrom In und eine Spannung Uh zugeführt. Zusätzlich sind auch dem dritten Signakanal c die Strom- und Spannungssignale II bis 13 und Ul bis U3. Damit sind diese Signale doppelt oder redundant er¬ faßt.

Die jeweiligen obengenannten Signale sind jeweils auf nicht näher bezeichnete Eingänge von Multiplexern 13a bis 13c eines jeden Signalkanals a,b,c geführt. Zweckmäßigerweise ist die parallele Aufschaltung von Signalen auf mehrere Multiplexer durch eine nicht näher dargestellte interne Verschaltung (durch Pfeil 14 angedeutet) im Zähler 1 , z.B. durch eine entsprechende Verdrahtung auf einer Leiterplatte, realisiert. Selbstverεtändlich ist auch eine externe Verschaltung, z.B. auf einem Klemmenblock, möglich. Nachfolgend wird nun bei- spielhaft für alle Signalkanäle a,b,c der Signalkanal a be¬ schrieben.

Dem Multiplexer 13a ist zur Analog/Digital-Wandlung ein ΣΔ- Modulator 17a nachgeschaltet. Zwischen dem ΣΔ-Modulator 17a und dem DS 5 ist bevorzugt ein Dezimationsfilter 19a geschal¬ tet, daε daε digitale Auεgangεεignal deε ΣΔ-Modulatorε 17a für den DS 5 aufbereitet. Dieε kann in beεonderen Fällen auch entfallen oder gegebenenfallε im DS 5 funktionell enthalten εein.

Der Multiplexer 13a tastet zyklisch die Spannungssignale U1,U2,U3 ab. Die Abtastung erfolgt dabei mit einer ausrei¬ chend hohen Frequenz, εo daß eine entεprechende Auflöεung ge¬ währleistet ist. Die Abtastfrequenz kann beispielsweise zwi- sehen 200 Hz und 20 kHz, bevorzugt zwischen 1 und 5 kHz, lie¬ gen.

Der zweite Signalkanal b ist in seinem Aufbau mit dem des ersten Signalkanals a identisch. Der dritte Signalkanal c weist dagegen einen Multiplexer 13c mit höherer Eingangsan¬ zahl auf, so daß die redundante Verarbeitung der Signale Ul biε U3 und II bis 13 möglich ist.

Dem dritten Multiplexer 13c deε Signalkanalε 3c kann zuεätz- lich auch ein vierter Multiplexer 13cc kaεkadenartig nachge¬ εchaltet sein. Bei dieser Alternative iεt dann die Verbin- dungsleitung 15 durch die strichliert gezeichnete Leitung 16 ersetzt. Dem vierten Multiplexer 13cc können dann die ledig¬ lich dem dritten Multiplexer 13c zugeführten weiteren Signale Uh und In nochmals zugeführt werden. Dadurch ist auch für die weiteren Signale Uh und In zumindeεt für einen Teilbereich quaεi eine redundante Signalverarbeitung gegeben. Die jewei¬ ligen nicht näher bezeichneten Eingänge der mit jeweilε den¬ selben Signalen beaufschlagten Multiplexern 13c und 13cc sind hierzu - wie bereits auch schon oben beschrieben - ebenfalls parallel geschaltet.

Die Multiplexer 13a bis 13cc sind bevorzugt miteinander εyn- chroniεiert, εo daß εpäter im DS 5 ein direkter Vergleich der redundant erfaßten Signale ohne Phasenverschiebung erfolgen kann. Ein unsynchroniεierter Betrieb ist auch denkbar. In einem solchen Fall sind dann gegebenenfalls die jeweiligen digitalisierten Signale zwiεchenzuεpeichem und einander zu¬ zuordnen, wodurch der techniεche Aufwand leicht erhöht iεt. Bei einem Vergleich von Effektivwerten der Signale iεt eine Zwiεchenεpeicherung nicht nötig.

Wahlweiεe kann den jeweiligen Multiplexern 13a biε 13cc zu¬ sätzlich ein Masεe- oder Erdpotential alε Eingangεεignal zu¬ geführt sein (in der FIG als Erdzeichen dargestellt) . Auf diese Weise kann die Meßwertabweichung (Offset) in den ein- zelnen Signalkanälen a bis c auf einfache Weiεe ermittelt werden. Der ermittelte Meßfehler kann dann zum Abgleich oder zur Korrektur in der Signalverarbeitung verwendet werden. Be-

vorzugt kann die Überwachung der Meßwertabweichung zyklisch erfolgen, wodurch eine ständige Selbstüberwachung der jewei¬ ligen Signalkanäle a bis c gegeben ist. Gegebenenfalls kann das Feststellen eines Meßfehlers auch zur Erzeugung eines Meldesignals verwendet werden, welches eine vorzeitige War¬ tung, Kalibrierung oder Eichung signalisiert. Die Korrektur kann gegebenenfalls im DS 5 oder in der Anordnung 7 erfolgen.

Die von den Signalkanälen a bis c erfaßten und vorverarbei- teten Signale werden nachfolgend im DS 5 weiterbehandelt. Im DS 5 εind dazu verεchiedene Funktionen bevorzugt alε Programm hinterlegt und realiεiert.

Meßwertüberwachung

Wichtige elektriεche Signale, z. B. die Strom- und Spannungε- εignale II bis 13 bzw. Ul bis U3, werden in den unterschied¬ lichen Signalkanälen a bis c redundant erfaßt. Im DS 5 werden nun gleiche Signale miteinander verglichen und auf Plau- εiblität unterεucht. Dazu kann beiεpielεweiεe auε den jewei¬ ligen mittels des ΣΔ-Modulators 17a 17c gebildeten digitalen Abtaεtwerten der Spannungεεignale Ul bis U3 die Effektivwerte der Spannung berechnet werden. Weichen die Effektivwerte der beiden Signalkanäle (in diesem Beispiel a und c) um einen vorgegebenen Betrag oder um einem vorgegebenen Grenzwert von¬ einander ab, so wird ein ersteε Fehlersignal erzeugt. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß zumindest einer der Si¬ gnalkanäle fehlerhaft ist.

Dies iεt beiεpielεweiεe dann der Fall, wenn alle Signale ei¬ neε Signalkanalε und von den Signalen eines anderen Signal- kanalε abweichen. Iεt eine Abweichung nur bei einem Signal einer Phase gegeben, εo kann daraus geεchloεεen werden, daß zumindeεt der jeweilige ΣΔ-Modulator und das jeweilige Dezi¬ mationsfilter korrekt arbeiten. Eine Fehlerquelle kann dann beiεpielεweise der Multiplexer εein.

Eε können auch beiεpielsweise folgende Fehler erkannt werden: Eine Unterbrechung eines Bonddrahtes, ein Defekt des Span- nungεwandlerε oder deε Spannungεteilers, eine Unterbrechung der Zuleitung, eine fehlerhafte interne Verdrahtung oder ein fehlerhafter Anschluß des Zählers.

Die benötigte Plausiblitätεkontrolle erfolgt selbstverεtänd- lich für alle eingangεεeitig aufgeεchalteten Signale. Gegebe¬ nenfalls kann auch ein Vergleich der Spannungs- oder Stromsi- gnale Ul biε U3 bzw. II biε 13 mit einer Referenz- oder

Hilfεgröße, die auf den dritten Signalkanal c geεchaltet ist, erfolgen. Dazu kann beispielεweiεe die Spannung Uh alε Refe- renzεpannung dienen. Die Plausibilitätskontrolle kann alε Programm im DS 5 oder auch als konkrete Schaltung oder Logik realisiert sein.

Frequenzüberwachung

In der DS 5 wird die Netzfrequenz der erfaßten Signale, ins¬ beεondere der Spannungεεignale Ul biε U3, mit Hilfe eines Quarzoszillatorε gemeεεen. Sollte die Netzfrequenz um einen beεtimmten Betrag, beiεpielεweiεe 5 %, von der Sollfrequenz abweichen, so wird ein zweites Fehlersignal, insbeεondere ein Fehlerflag, erzeugt. Die Netzfrequenz von Drehεtromnetzen kann in der Regel alε sehr konstant angesehen werden. Wird hier eine erhebliche Frequenzabweichung festgestellt, so kann davon ausgegangen werden, daß der Quarzoszillator fehlerhaft arbeitet. Dies kann als grobe Funktionεkontrolle dienen, wo- bei insbesondere der Fehlerfall erfaßt wird, bei dem der Quarzoεzillator auf einer Oberwelle εchwingt.

Nulleiterstromüberwachung

Die Stromsignale II biε 13 werden in der DS 5 summiert. Bei einem 3-Leiter-Zähler muß im Regelfall die Stromsumme = 0

sein. Wird hier ein vorgegebener Grenzwert überschritten, so wird ein drittes Fehlersignal erzeugt. Gegebenenfalls kann bei einem 4-Leiter-Zähler zu der Stromsumme auch der Nullei¬ terstrom In hinzuaddiert werden. Dies gilt selbstverständlich für Netze, bei denen der Nulleiterstrom auch erfaßt wird. Zu¬ sätzlich kann auch ein Vergleich der Stromsumme des Signalka¬ nals b mit der Stromsumme des dritten Signalkanals c erfol¬ gen. Dadurch ist eine weitere Überwachung möglich, wobei im Fehlerfall ein viertes Fehlerεignal erzeugt wird.

Weitere Funktionen

Gegebenenfalls kann zur Überprüfung der den Multiplexern 13a biε 13cc vorgeεchalteten Stromεenεoren diesen eine weitere Prüfeinrichtung vorgeschaltet sein, so daß auch dieser Ein- gangεbereich der Signalerfassung einer Überwachung unter¬ liegt. Eine derartige Überprüfung kann beispielsweise bei der Zählerableεung durchgeführt oder in feεten Zeitintervallen wiederholt werden. Eε iεt dabei denkbar, daß die vorgeschal¬ tete Prüfeinrichtung über die Schnittstelle 11 einen Daten¬ austausch mit dem Zähler 1 durchführt, so daß eine automati¬ sche und schnelle Funktionskontrolle möglich ist.

Eine weitere Zusatzfunktion kann auch dadurch gegeben sein, daß beim Ausfall eines der Signale einer Phase oder eines Meßkanals automatisch auf einen Notbetrieb umgeεchaltet wird, wobei daε fehlende Signal über einen anderen Signalkanal er¬ faßt wird. Diese Umschaltung kann gegebenenfallε in Abhängig- keit von einem der obengenannten Fehlersignale ausgelöst wer¬ den und ist zweckmäßigerweise in der bereitε obengenannte Lo¬ gik realiεiert. Diese Umschaltung iεt inεbeεondere bei inter¬ nen Fehlern im Zähler von Intereεεe.

Durch die umfangreichen Plausibilitätεkontrollen ist eine sichere Fehlerlokaliεierung und verbeεεerte Betriebεführung gegenüber dem Stand der Technik gegeben, wobei weεentliche

Funktionen deε Zählers 1 geprüft werden. Die Anzeige oder Signaliεierung der Fehlersignale erfolgt zweckmäßigerweise durch die Anzeigemittel 9 oder über die Schnittstelle 11.

Selbstverständlich sind Merkmale der einzelnen Ausführungen oder Varianten miteinander kombinierbar oder untereinander austauεchbar, ohne daß der Grundgedanke der vorliegenden Idee verlaεεen wird. Weεentlich hierfür iεt, daß eine redundante Signalerfaεsung Verwendung findet, die eine Fehlererfasεung für die jeweiligen Meßkanäle und gegebenenfalls einen Hilfs¬ betrieb erlaubt.