Fernwirksysteme bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. So kommen derartige Systeme seit geraumer Zeit in den Versorgungsnetzen zur Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie zum Einsatz. Weitere Anwendungsfelder bieten beispielsweise die Verteilungsnetze der Gas-, Wasser-oder Fernwärmeversorgung, sowie auch die Verkehrsleittechnik. Allen fernwirktechnischen Anwendungen liegt das technische Prinzip zugrunde, daß eine versorgungstechnische Anlage überwacht und deren Arbeitsverhalten protokolliert wird, um einen möglichst andauernden störungsfreien Verlauf sicherzustellen. Hierbei werden ausgewählte Meßpunkte im Versorgungsnetz, an denen die unterschiedlichsten MeRgrößen abgegriffen werden können, von den Rechneranlagen der Fernwirkunterstationen einer Meßleitstelle konfiguriert und als Datenpunkte visualisiert, d. h. die jeweiligen Meßpunkte können in Abhängigkeit der zu erfüllenden Überwachungsaufgabe individuell abgefragt werden. Beim Auftreten einer Störungsursache steht die Alarmierung und das zeitfolgerichtige Einordnen der Meßsignale im Vordergrund, damit der Ort der Störungsursache, sozusagen"online", zurückverfolgt werden kann, so daß von der Leitstelle unverzüglich die notwendigen Aktionen, wie beispielsweise ein Notabschalten des Teilnetzes oder eine Nachregulierung der Strom-bzw. Spannungswerte beim Einspeisen ins Netz, ausgeführt werden können.

Zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie in Netzen und Anlagen werden Freileitungen und Starkstromkabel sowie Transformatoren und diverse Schaltgeräte eingesetzt. In den Hochspannungsnetzen werden in der Regel Drehströme mit Spannungen bis zu 765 KV übertragen. Hierbei beträgt die Betriebsfrequenz derartiger Drehstromnetze in den europäischen Ländern 50 Hz. An derartige Starkstromnetze sind lokal die Energieverteilungssysteme angeschlossen, wobei hierzu der Strom auf eine Spannungsebene von 10 oder 20 KV herunter transformiert werden muß. Während für die Fernübertragung in den Überlandleitungen die Spannungshaltung und- stabilität von vordringlichem Interesse sind, bildet die Beherrschung der Kurzschlußströme den Schwerpunkt bei den kleineren Verteilungsnetzen. Diese werden häufig durch Überspannungsspitzen hervorgerufen, wie sie beispielsweise bei einem Blitzeinschlag auftreten Im Stand der Technik weist ein fernwirktechnisches System bei der Überwachung bzw. Messung der Stromversorgung mehrere Komponenten auf. An ausgewählten Meßpunkten eines Versorgungshochspannungskabels einer Überlandleitung sind Stromschienen angeschlossen, die entweder bereits selbst als Primärleiter mit einer primären Windungszahl 1 wirken können oder von einer Sekundärspule umschlossen sind, um einen Transformator auszubilden. Im ersten Fall wird einfach der Kern einer Sekundärspule wie ein Meßschuh auf die Stromschiene geschoben. Diese Anordnung stellt bereits einen einfachen Meßwandler dar, der den über die Stromschiene abgegriffenen Strom der Hochspannungsleitung maßstabsgetreu auf niedrigere Spannungs-bzw. Stromwerte umwandelt.

Die Sekundärgrößen liegen typischerweise in Wertebereichen von 100 V bei Spannungswandlern und von 5 A bei Stromwandlern. Die so transformierten Meßgrößen werden anschließend über einen Anschluß an eine Datenleitung übergeben, die zu den Fernwirkunterstationen der Meßleitstelle führt, wo diese Meßgrößen entsprechend verarbeitet

werden. Je nach Bedarf können im Verlauf dieser Datenleitung weitere Meßumformvorrichtungen angeordnet sein, die nach dem an sich bekannten Prinzip der galvanischen Trennung bzw. magnetischen Induktion die Spannungen bzw. Ströme bis in Bereiche von < 10 V bzw. von < mA weiter abschwächen.

Einem derartigen System aneinandergereihter Umformvorrichtungen wohnt der Nachteil inne, daß im Fall von Überspannungsspitzen im Verteilungssnetz, wie sie beispielsweise im Falle eines Blitzeinschlags auftreten, selbst noch die galvanische Trennung der unterschiedlichsten Transformatoren bzw. Meßwandler durchschlagen wird, so daß sich bis in die Fernwirkunterstation der Leitstelle eine"schwarze Strecke" fortsetzen kann, was unweigerlich die angesteuerten fernwirktechnischen Meßgeräte in Mitleidenschaft zieht. Darüber hinaus zeigt sich das Problem, daß bekannte Fernwirksysteme für heutige Anforderungen zu ungenau arbeiten. Die aufeinanderfolgenden Umformvorgänge der an den Meßpunkten aufgenommenen Meßwerte erfolgen nicht exakt maßstabsgetreu, da Betrags-und Winkelfehler der einzelnen Transformatoren zu Streuungsverlusten führen. Die Meßgenauigkeit wird im allgemeinen noch durch den Effekt der Potentialverschleppung negativ beeinflußt, wie er bei mehreren in Reihe geschalteten Transformatoren in Erscheinung tritt.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler für die Strom-und Spannungsmessung in der Fernwirktechnik zu bewerkstelligen, der einerseits eine hohe Spannungs-und Störfestigkeit und andererseits eine hohe Meßgenauigkeit aufweist. Zusätzlich ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Meßwandler mit einer integrierten Intelligenz auszustatten, so daß in Abhängigkeit der zugrunde liegenden Meßaufgabe bereits eine entsprechende Vorverarbeitung der Meßgrößen erfolgen und gegebenenfalls der Meßwandler bereits Stellaktionen am Meßort durchführen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die vorliegende Erfindung einen Meßwandler für die Strom-und Spannungsmessung bei der Überwachung, Steuerung und Automation mittlerer und großer Informationsmengen in fernwirktechnischen Systemen, der als Sekundärleiter an eine als Primärleiter wirkende Stromschiene mittelbar oder unmittelbar induktiv angekoppelt ist, die am Meßort einer Fernleitung, wie bspw. einem Versorgungshochspannungskabel, abgezweigt ist, wobei die Strom-bzw. Spannungsgrößen maßstabsgetreu in Meßdaten umgewandelt und über einen Anschluß nachfolgend einer Datenleitung zu einer Fernwirkunterstation einer Meßleitstelle übergeben werden, wo diese Meßdaten von unterschiedlichen Meß-, Zähl-und Schutzeinrichtungen verarbeitet werden, wobei der Meßwandler auf der Stromschiene als Meßbrücke ausgebildet ist und Vorrichtungen aufweist, die diese Strom-bzw.

Spannungsgrößen direkt am Meßort in Meßdaten umwandeln und verarbeiten, die dann über den Anschluß der Datenleitung übergeben werden.

Im Falle einer mittelbaren Ankopplung weist die Meßbrücke eine integrierte Leiterbahn auf, die über entsprechende Wandleranschlüsse mit den Enden der die Stromschiene umgebenden Sekundärspule verbunden ist, so daß der in dieser Sekundärspule vom Primärleiter induzierte Strom über diese Leiterbahn in der Art eines"Shunts"durch die Meßbrücke umgeleitet wird. Auf der Meßbrücke befindet sich ein magnetischer Sensor, der an diese Leiterbahn induktiv angekoppelt ist.

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist dieser Sensor ein an sich bekannter Hall-Koppler, der wie ein Torschalter wirkt und eine zum in der Leiterbahn fließenden Strom direkt proportionale Frequenz an linearen Niederspannungswerten erzeugt. Der Hall-Koppler ist mit einem Mikrocontroller verbunden, der ebenfalls auf der Meßbrücke angeordnet ist. Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung, die sämtliche für eine integrierte Intelligenz notwendigen Einheiten aufweist, wie mindestens

einen Mikroprozessor, eine RAM-und eine ROM-oder EPROM-Einheit sowie entsprechende Ein-und Ausgänge. Über vorprogrammierte Algorithmen im Mikrocontroller werden die vom Hall-Koppler gelieferten Niederspannungswerte in geeignetere Meßdaten weiter verarbeitet.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Meßbrücke eine Meßsonde aus einem magnetostriktiven Material auf. Magnetostriktive Werkstoffe besitzen die Eigenschaft, ihre Länge in Abhängigkeit eines sich ändernden Magnetfelds zu ändern, wie dies bei Stromfluktuationen in der Stromschiene auftritt. In der Meßsonde wird diese Längenänderung in einem Lichtfeld detektiert, wobei die so erhaltenen optischen Signale an den Mikrocontroller übergeben werden, der diese nach speziell hierfür programmierten Algorithmen in geeignete Meßdaten umformt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich die vorprogrammierten Algorithmen im Rahmen einer"Online"-Überwachung während des Betriebs des Meßwandlers auswählen bzw. ändern. Hierzu ist der Mikrocontroller von der Meßleitstelle aus fernparametrierbar bzw. fernbedienbar und frei programmierbar ausgestaltet.

In Fortführung der vorliegenden Erfindung kann die Mikrocontrollereinheit in Abhängigkeit der gemessenen Daten über entsprechende Stellglieder bereits bestimmte Stellaktionen an der Meßstelle ausführen, beispielsweise Regelvorgänge, die der Spannungsstabilität im Hochspannungskabel dienen, ohne daß es der vorherigen Weiterleitung zu den Rechneranlagen der Fernwirkunterstationen bedarf.

Im Rahmen der Erfindung ist der Mikrocontroller mit einem auf der Meßbrücke angeordneten Anschluß verbunden, der die von diesem umgewandelten Meßdaten an eine Datenleitung zu den Fernwirkunterstationen der Meßleitstelle übermittelt. Ist die Datenleitung als Lichtwellenleiter vorgesehen, kommt als Anschluß gemäß der

vorliegenden Erfindung ein an sich bekannter Optokoppler zur Anwendung. Derartige Optokoppler eignen sich speziell für die Übertragung diverser Meßdaten, wie sie von einem Mikrocontroller ausgegeben werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dieser Anschluß als Mikrowellensender ausgebildet, so daß die Signalübertragung über Funk an einen Empfänger erfolgt, der bereits in der Meßleitstelle selbst oder in weit genügender Entfernung vom Meßort angeordnet sein kann. Im Rahmen der Funkübermittlung lassen sich so höhere Isolationsabstände bewerkstelligen.

Die vorgenannten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, daß ein Durchschlagen von Überspannungspitzen verhindert wird. Infolge der Umwandlung der Strom-bzw.

Spannungswerte in binäre Signale kann ein Strom nicht weiter als bis zum Sensor des Meßwandlers übertragen werden. Durch diese"Insel- Lösung"des Meßwandlers, der ohne einen geerdeten Anschluß so beliebige Strom-bzw. Spannungsspitzen aufnehmen kann, ist eine vollständige Entkopplung gewährleistet. Desweiteren ermöglicht die Umwandlung der Meßsignale in binäre Meßdaten durch die Ansteuerung des Mikrocontrollers eine fehlerfreie und maßstabsgetreue Übermittlung, da unter anderem Einflüsse der magnetischen Felder ignoriert werden können. Aufgrund des Einsatzes eines Lichtwellenleiters oder einer Funkübertragung wird darüber hinaus die Gefahr der Potentialverschleppung vermieden.

Der mit einer derartigen integrierten Intelligenz ausgestattete Meßwandler gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich im allgemeinen auch als eine Datenübertragungseinheit in Netzwerkstrukturen einsetzen, wie beispielsweise in LAN-, WAN-, neuronalen oder dergleichen Systemen.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele wiedergeben. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Meßwandlers, gemäß der Erfindung mit sämtlichen Komponenten ; und Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Meßwandlers mit einer Meßsonde aus einem magnetostriktiven Material.

Die in der Fig. 1 gezeigte schematische Darstellung gibt das grundlegende Aufbauprinzip des Meßwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. Die genaue technische Ausgestaltung kann in Abhängigkeit räumlicher sowie allgemeiner elektrotechnischer Erfordernisse variieren. Im wesentlichen weist der Meßwandler 1 einen magnetischen Sensor 3, damit verbunden einen Mikrocontroller 4 und an diesen gekoppelt einen Anschluß 5 auf. Der Meßwandler 1 ist in der Form einer Meßbrücke ausgestaltet und steht mit einer Stromschiene 2 in Verbindung, die am Meßort beispielsweise von einem Hochspannungskabel, abzweigt. Hierbei ist es möglich, daß die Meßbrücke 1 in der Art eines Meßschuhs unmittelbar auf die Stromschiene 2 aufgeschoben oder im Zuge einer Nachrüstung auf eine bereits auf der Stromschiene 2 vorhandene Meßplattform mittelbar angeordnet wird. Ist die Stromschiene 2 von einer Sekundärspule umgeben, wird der Meßwandler 1 über seine Wandleranschlüsse 6 mit den Enden dieser Sekundärspule verbunden. Durch die Meßbrücke 1 selbst verläuft zwischen den Wandleranschlüssen 6 eine Leiterbahn, ein sogenannter"Shunt", der den in der Sekundärspule von der Stromschiene 2 induzierten Strom umleitet. An diese Leitbahn ist der magnetische Sensor 3 nach an sich bekannter Weise induktiv angekoppelt. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist dieser magnetische Sensor 3 ein Hall-Koppler, der wie ein Torschalter

arbeitet und in Abhängigkeit des induzierten Stroms eine digitale Signalleistung in Form einer linearen Frequenz an Niederspannungswerten ausgibt.

Die so erhaltenen binären Signale werden in den Mikrocontroller 4 eingelesen und von diesen nach vorprogrammierten Algorithmen in Meßdaten verarbeitet, die für den jeweiligen Anwendungsfall am geeignetsten sind. Der Mikrocontroller 4 übergibt diese Meßdaten an einen Anschluß 5, der mit der Datenleitung zu der Fernwirkunterstation einer Meßleitstelle verbunden ist. Die vom Mikrocontroller 4 ausgegebenen Meßdaten sind digitalisiert und lassen sich in vorteilhafter Weise über einen Optokoppler an die Datenleitung übertragen. Der Optokoppler stellt zwischen dem elektrischen Eingangs- und dem Ausgangssignal eine galvanische Trennung dadurch her, daß das Eingangssignal in ein optisches Signal umgeformt, auf optischen Wege weitergeleitet und von einem Empfänger in das Ausgangssignal zurück geformt wird. Der Empfänger ist hierbei am Ort der Fernwirkunterstation angeordnet, wobei die Datenleitung als ein Lichtwellenleiter ausgebildet ist.

Bei Netzen ab 200 KV können statische Ableitungen auf den Lichtwellenleiter Störeinflüsse ausüben. Aus diesem Grund ist dieser Anschluß 5 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als Mikrowellensender ausgebildet, der die Daten per Funk zu einem Empfänger sendet.

Die Übertragungsmechanismen als Lichtsignale bzw. als Funksignale verdeutlichen, daß der Meßwandler 1 vollständig isoliert ist, da er einerseits keinen geerdeten Anschluß und andererseits keine stromführende Datenleitung aufweist. Demzufolge können Strom-bzw.

Spannungsspitzen nicht weiter als bis auf den Meßwandler 1 selbst übertragen werden. Ein Durchschlagen bis in die Leitstelle ist somit verhindert.

Eine Datenübertragung kann gemäß der Erfindung auch in umgekehrter Richtung, also von der Meßleitstelle zum Meßwandler 1, erfolgen, wie dies unter anderem die Ausführung mit der Funkübertragung ermöglicht, so daß am Meßwandler 1 selbst bestimmte Operationen durchgeführt werden können. Zu diesem Zweck ist der Mikrocontroller 4 von der Art, die eine Fernprogrammierung bzw.-parametrierung erlaubt. So lassen sich von der Leitstelle aus bestimmte Meßparameter und Meßbereiche verändern sowie bestimmte Algorithmen im Hauptspeicher des Mikrocontrollers 4 abändern, auswählen oder neu programmieren. Dies verdeutlicht, daß mit einer derartigen integrierten Intelligenz der Meßwandler 1 gemäß der vorliegenden Erfindung einen im wesentlichen unbegrenzten Einsatzbereich bietet. So ist er im allgemeinen als eine Datenübertragungseinheit in beliebigen Strukturen der Netzwerkkommunikation einsetzbar, wie beispielsweise neuronalen Netzwerken.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführung des Meßwandlers 1 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der magnetische Sensor 3 ist in der Form einer Meßsonde ausgebildet, die sich der physikalischen Effekte von magnetostriktiven Materialien im Magnetfeld bedient. Diese magnetostriktiven Werkstoffe ähneln den piezoelektrischen, reagieren aber auf magnetische statt auf elektrische Felder. Ändert sich das äußere magnetische Feld, richten sich die magnetischen Domänen dieses Materials durch Drehung parallel zu diesem äußeren Feld aus und können so den Werkstoff verformen. So dehnt sich beispielsweise der Werkstoff Terfenol-D, welcher das seltene Erdmetall Terbium enthält, um mehr als 0,1 % aus.

Die Meßsonde 3 ist bei dieser Ausführung in das Gehäuse des Meßwandlers 1, typischerweise ein Kunststoffgehäuse, integriert, das auf die Stromschiene 2 aufschiebbar ist. Die Meßsonde weist einen Stab aus magnetostriktivem Material auf, der in Richtung der Stromschiene 2 ausgerichtet und einseitig gelagert ist. Oszilliert der Strom in der

Stromschiene 2, beispielsweise durch das Auftreten von Überspannungsspitzen, ändert sich auch das diese Stromschiene 2 umgebende Magnetfeld. In der Meßsonde 3 schlägt sich diese Änderung des Magnetfelds in einer Längenänderung des Stabs aus dem magnetostriktiven Material nieder. Zur Detektion der Ausdehnung dieses Stabs weist die Meßsonde 3 ein an sich bekanntes LCD-Fenster auf, das in Abhängigkeit eines darauf ausgeübten Drucks seine Lichtdurchlässigkeit ändert. Der magnetostriktive Stab steht unmittelbar oder mittelbar mit diesem LCD-Fenster in Verbindung, so daß dessen zum sich ändernden Magnetfeld proportionale Längenänderung eine hierzu proportionale Durchlässigkeitsänderung bewirkt. Diese Änderung wird in einem Lichtfeld detektiert, wobei hierzu das LCD-Fenster in einem Lichtleiter integriert ist und ein eingehendes Lichtsignal durch die veränderliche Durchlässigkeit in entsprechende Impulslichtsignale umgewandelt wird. Dieser Lichtleiter steht wiederum mit einer Photodiode an dem Mikrocontroller 4 in Verbindung, so daß dieser in Abhängigkeit bestimmter programmierter Algorithmen die jeweiligen Impulslichtsignale in geeignete Meßdaten verarbeiten kann. Im vorliegenden Fall kann dieser Mikrocontroller 4 entweder direkt auf dem Gehäuse des Meßwandlers 1 oder in genügend großer Entfernung dazu angeordnet sein. Eine vom Meßwandler 1 entkoppelte Anordnung des Mikrocontrollers 4 ist beispielsweise dann erforderlich, wenn in der näheren Umgebung des Meßwandlers 1 extrem hohe magnetische Felder auftreten, die zu einem Versagen des Mikrocontrollers 4 führen können. Der Mikrocontroller 4 ist mit einem Anschluß 5 verbunden, der die vorgenannten Ausgestaltungen aufweist und die vom Mikrocontroller 4 ausgegebenen Meßdaten über eine Datenleitung zur Meßleitstelle überträgt.

In dieser Ausführungsform wird ebenfalls deutlich, daß der Meßwandler 1 von der Datenleitung bzw. Meßleitstelle vollständig entkoppelt ist.

Überspannungsspitzen in der Stromschiene 2 können durch die

vollständige Isolation der Meßsonde 3 und der anschließenden Umwandlung in binäre Signale durch den Mikrocontroller 4 elektrisch nicht weitergeleitet werden, da keinerlei elektrische Übertragungsmöglichkeiten bestehen.

Die vorhergehend genannten unterschiedlichen Ausgestaltungen des Meßwandlers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, daß nachfolgende Gerätschaften, wie Meßeinrichtungen in den Fernwirkunterstationen, nunmehr vollständig geschützt sind und ihre Funktionssicherheit gewährleistet ist. Des weiteren verdeutlicht der Einsatz eines Mikrocontrollers 4 neuester Technologie, daß die Umwandlung der Meßwerte mit genauester Präzision erfolgt, wie dies für eine Fernabnahme bzw. bei der Fernversorgung der Einzelabnehmer in heutiger Zeit von entscheidendem Interesse ist.

Aufgrund seiner beliebigen Programmierbarkeit eröffnet der Mikrocontroller 4 auch die Möglichkeit, daß in Abhängigkeit der eingelesenen Meßdaten dieser bereits Befehle ausgeben kann, die über Stellglieder am Meßort direkt, Stellaktionen bewirken. So kann der Mikrocontroller 4 bereits Regelvorgänge am angeschlossenen Verteilernetz durchführen, ohne daß dies von der Leitstelle aus durchgeführt werden muß.

Selbstverständlich bleibt die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann sämtliche Varianten eines magnetischen Sensors mit einem daran angeschlossenen Mikrocontroller und anschließender nicht-elektrischer Datenübertragung umfassen.