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Kalibriereinrichtung für digitale Energiezähler

29.08.2022

 

Zukünftige elektrische Verteilungs- und Übertragungsnetze benötigen echtzeitfähige Steuerungs- und Überwachungssysteme, um die Stabilität der Versorgungsnetze zu gewährleisten. In der erforderlichen Messtechnik werden dafür zukünftig digitale abtast- oder „Sampled Value“ (SV)-basierte Methoden eingesetzt, wobei die zugehörigen Hochspannungssensoren und Messsysteme zeitlich hochgenau synchronisiert werden müssen. Die PTB hat einen Messaufbau für die Kalibrierung eines digitalen Energiezählers entwickelt, der auf einem SV-Generator beruht.

Die PTB hat als nationales Metrologieinstitut eine Vorreiterrolle im Bereich der Metrologie für Hochspannungsnetze und stellt durch Rückführung auf nationale Normale sicher, dass die übertragene Energie durch entsprechende Messgeräte richtig erfasst wird.

Der neue Kalibriermessaufbau beruht auf bereits bestehenden Referenzen, welche die Rückführung der digitalen Messwandler (einschließlich der Merging Units) gewährleisten, mit denen die hohen Wechselspannungen (oder -ströme) in die digitalen Netzwerkprotokolle mittels SV-basierter Methoden umgesetzt werden. Die Standardisierung des entsprechenden Protokolls ist durch die Richtlinie IEC 61850-9-2 LE (bzw. aktualisiert IEC 61869-9 für Messwandler) gegeben. Neu entwickelt wurden in der PTB nun Referenzen für die Prüfung der Messgeräte (beispielsweise Energiezähler), welche an das digitale Protokoll angeschlossen sind. Da für diese bislang noch keine standardisierten Protokolle existieren, wurde für die Ausarbeitung eines Prüfplans zunächst die Norm IEC 62053-22 für statische elektronische Wirkverbrauchszähler der Klassen 0,1S bis 0,5S herangezogen.

Der neue Messaufbau für die Kalibrierung eines digitalen Energiezählers ist im Bild 1 schematisch dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem selbst entwickelten SV-Generator, einem digitalen Energiezähler als Prüfling und einem Rechner mit entsprechender Software.

 

Messaufbau zur Kalibrierung eines digitalen Energiezählers

Bild 1: Messaufbau zur Kalibrierung eines digitalen Energiezählers.


Der in der PTB entwickelte SV-Generator (Bild 2) sendet vorprogrammierte SV-Daten über Ethernet unter Verwendung des Protokolls IEC 61850-9-2. Er wird ersatzweise als Kalibrator für Geräte mit digitalem Ausgang (z. B. einer Stand Alone Merging Unit, SAMU) betrachtet und kann zur Kalibrierung eines SV-basierten Messgeräts ohne Verlust an numerischer Auflösung verwendet werden. Das Basismodul ist eine 32-Bit-ARM-Cortex-M4-CPU mit Ethernet- und USB-Anschlüssen. Die SV-Daten werden per Software auf dem PC erzeugt und anschließend wird der SV-Sender über die USB-Schnittstelle entsprechend programmiert. Die Daten werden dann über Ethernet unter Verwendung des Protokolls IEC 61850-9-2 zum Energiezähler gesendet. Die Software zur Steuerung des SV-Generators umfasst im Wesentlichen i) die SV-Kurvenformerzeugung, ii) den Algorithmus zur Durchführung der Messung und iii) die Leistungs- bzw. Energieberechnung. Das Programm kann sowohl Spannungs- als auch Stromsignale erzeugen, um den Leistungs- und Energiefluss eines Dreiphasen-Netzes nachzubilden. Die Referenzleistung und -energie für die Kalibrierung wird durch Algorithmen definiert, die im Steuerprogramm des SV-Generators integriert sind.

 

Foto des entwickelten sampled value Generators

Bild 2: Foto des entwickelten SV-Generators

 

Unter Verwendung des beschriebenen Aufbaus wurde ein kommerzieller digitaler Energiezähler eines europäischen Herstellers unter den folgenden Nennbedingungen getestet:

 

Frequenz:50 Hz
Nennspannung: 100 kV
Nennstrom:1000 A
Optischer Wirkenergieausgang:RA = 0,1 Impulse/kWh
Genauigkeitsklasse:

Kl. 0,2S für Wirkenergie

Kl. 1S für Blindenergie

 

 

Die gemäß dem erarbeiteten Prüfplan durchgeführten Messungen haben gezeigt, dass die Messabweichungen des Energiezählers für die Messgröße „Energie“ eine Größenordnung unterhalb der Toleranzgrenzen liegen, die durch die zugeordnete Fehlerklasse 0,2S des Zählers definiert ist.

Da die Kalibrierung der Energie im Gegensatz zur Leistung zeitintensiv ist, wurden zur Optimierung der Messzeiten verschiedene Ausleseverfahren des Zählers getestet, wobei die schnellste Auslesemethode zehn- bis 30-mal schneller als die langsamste war. Dabei zeigte sich insgesamt, dass die verschiedenen Ergebnisse für alle angewandten Methoden innerhalb von 0,02 % lagen. Die ermittelten Messabweichungen des getesteten Zählers sind insgesamt damit etwa zehnmal besser, als es die Klassengenauigkeit des Zählers erfordert.

 

 

Referenz:

„EMPIR project calibrates sampled value-based digital electricity meters,“ 28 Februar 2022. [Online].
Verfügbar: https://www.euramet.org/publications-media-centre/news/news/empir-project-calibrates-sampled-value-based-digital-electricity-meters/.
[Zugriff am 29 Juli 2022].

 

 

Ansprechpartner:

Enrico Mohns

Fachbereich 2.3 „Elektrische Energiemesstechnik“

enrico.mohns@ptb.de

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Dr. Dr. Jens Simon

Phone: +49 531 592-3005
Email:
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