49,8Hz - Netzfrequenz messen

[Gary]

Bei mir steht auch eine Messstation, ich kann hier auf dem Berg die Wolken von KKW Gundremmingen sehen...

[Fritzler]

@Fritzler, bei einem Suchergebnis hat einer mit 16 Bit Zähler gearbeitet und eben auch mitgezählt wie oft der Zähler überläuft. Das klang mir nach brauchbarer Lösung. Wo siehst du da Probleme ?

Das geht natürlich auch.

[Bastelbruder]

In der Simulation wurde die nicht unerhebliche Kapazität der Meßmasse gegen die Netzmasse unterschlagen. Das sind garantiert 100 pF (2 X 50 pF gegen die beiden Enden der Netzspannungsquelle). Der Gedankenfehler verändert das Ergebnis aber kaum.

Die Schnüffelschaltung mit den drumgewickelten Drähten hat eine untere Grenzfrequenz um 100 kHz, darunter der bekannte Abfall um 20 db / Dekade. Damit werden genau die unerwünschten Jitteranteile bevorzugt.
Der hintere Filterkondensator mit Eckfrequenz 50 Hz dämpft die höherfrequenten Anteile maximal um den Betrag der Verstärkung, oberhalb 100 Hz beträgt die konstant eins. Ein invertierender Verstärker wäre da deutlich besser.
Erst der vordere Kondensator konzentriert das Verstärkungsmaximum in den Bereich um 100 Hz.

Ich hätte mit einem RC-Sinusoszillator angefangen und den über einen Widerstand im oberen Megohmbereich an die Netzfrequenz gezogen. Das ist dann effektiv ein schmalbandiger Filter hoher Güte, der den ganzen Dreck draußen hält. Eine PLL mit Quadraturdetektor ist vermutlich nicht besser.

Netzsync.png (7.85 KiB) 2390 mal betrachtet

Der Gimmickkondensator produziert mit 50 Meg noch eine untere Grenzfrequenz von 316 Hz, wenn man den Kondensator wegläßt dürfte ein höherer Widerstand zu noch besserem Ergebnis führen. Der Einschwingvorgang zeigt, daß hier analog um geschätzt 5 Perioden integriert wird. Die Bandbreite des Wien-Filters reicht auch noch für 40 und 60 Hz, wichtig ist bei der Bemessung des Eingangsabschwächers bloß daß der Ausgang nicht in die Sättigung fährt.

Die Schaltung hat aber eine Phasenverschiebung die um den Resonanzbereich stark schwankt. Zum Frequenz messen baut man sich da eine Fehlerquelle mit ein.

Frequenzänderungen sind gern mit Phasenverschiebungen verheiratet. Auch Integratoren machen solche Undinge. Wenn die Anzeige eine zehntel Sekunde nachhinken darf, kann man da aber schon ziemlich viel Blödsinn treiben.

[Bastelbruder]

Achja, der Effekt ist auch unter dem Begriff Gruppenlaufzeitverzerrung bekannt. Die Filter-Durchlaufverzögerung ist üblicherweise vergleichbar mit der Kurvensteilheit der Filterkurve. An in den Audiobereich transformierten Flanken ist ein "Klingeln" zu hören, die Ohren fühlen sich beschissen und bei übertrieben steilflankigen Digitalfiltern behauptet der Bio-Spekki, da sei eine Resonanzüberhöhung die tatsächlich garnicht stattfindet.

Auch der Wien-Filter ist ein Schwingkreis mit relativ geringer Güte der wie eine Glocke klingt, mit dem angenehmen Nebeneffekt daß einzelne fehlende Perioden übertüncht werden.

[ferdimh]

Der Trick mit der PLL ermöglicht noch deutlich schärfere Filterung. Da können wir auch weit unter 0,1Hz Bandbreite gehen, ohne in Schwierigkeiten zu kommen. Aktive Filter werden in dieser Bandbreite schnell kritisch, passive Filter werden bei 50 Hz schnell sperrig. Die 90°-PLL kann man im Prinzip beliebig schmalbandig gestalten, wenn man irgendwie einen Trick findet, das Ding einmal zum Rasten zu bringen. Es läuft dann auch dem Netz hinterher, das durch die Trägheit der Synchrongeneratoren ohnehin keine sehr hohe Bandbreite hat.
Damit es einmal rastet kann man zum Beispiel das Schleifenfilter rückkoppeln, dass es gerade so schwingt. Durch die Gegenkopplung beim Rasten hört es dann auch wieder damit auf.
Eine andere Idee wäre, den Wienbrückenoszillator tatsächlich zum Oszillator (mit Amplitudenregelung) zu machen und vom Netz mitziehen zu lassen. Bleibt nur die Frage, was der macht, wenn das Netz mal wirklich weit wegläuft.

[TDI]

Bei mir steht seit einem Jahr eine Messstation von gridradar.net (https://gridradar.net/wide-area-monitoring-system.html)

Kriegt demnächst neue Firmware, dann ist sie auch direkt online. Bin gespannt, wie sich die Frequenz hier in der Offshore-Einspeisegegend verhält. Die bisher veröffentlichte Karte ist schon recht interessant, wenn man die Frequenz- und Zeitabweichungen verfolgt.

In einem Verbundnetz kann die Frequenz doch nur überall gleich sein. Es kommt aber zu Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannung.
Deswegen werden von den HGÜ-Konvertern auch Blindleistungen bereitgestellt, die schnell im dreistelligen MVA Beteich liegen.

[Gary]

"In einem Verbundnetz kann die Frequenz doch nur überall gleich sein."

Ja, aber nicht immer gleichzeitig. Es gibt nur kleine Abweichungen, man kann schon erkennen wo ein Kraftwerk ausfällt weil dort die Frequenz als erstes absackt. Deswegen muss man auch genau messen, mit GPS Zeit.

[duese]

Ich meine mal gehört zu haben (Vorlesung?), dass im UCTE Netz von einem bis zum anderen Ende ein (dynamischer) Phasenversatz von etwa 720°drin ist. Das ganze Ding ist halt ein System von elastisch gekoppelten Drehmassen.

[TDI]

Wenn man überlegt, was 50Hz für eine Wellenlänge hat: gut 6000km. Da kann man die Phasenverschiebung von Dänemark nach Österreich theoretisch abschätzen. Allerdings sind da auch noch Trafos zwischen.
Aber wenn die Frequenz nicht übersll gleich ist, kommt es je nach Versatz innerhalb kurzer Zeit zu Momenten mit 180Grad Phasenverschiebung was maximal Gegensätzliche Spannung mit extremem Strom bedeuten würde. Kann das wirklich sein und gutgehen?
Ich glaube nicht...

[Bastelbruder]

Da versagt wieder das Vorstellungsvermögen ...
Dynamischer Phasenversatz in der Größe zweier Wellenlängen benötigt Blindströme in der Größenordnung des Wirkstroms. Nee! Dazu müßten auf der 6000km-Leine Generator und Last schnell mal vertauscht werden.

Allerdings gibt es bei Schaltvorgängen im Netz gern mal Phasenunterschiede an denen zu erkennen ist in welche Richtung sich der Strom die Energie bewegt.

[nonever]

Hat hier schon jemand eine Netzfrequenzmessung in Software gebastelt? Heißt also z.B. per Spannungsteiler direkt auf einen schnellen ADC und direkt digital weiter.
Ich denke mal laut:
Die Samples durch einen entsprechenden FIr Bandpass werfen um den ganzen Müll loszuwerden. Dann kann man etwas tricksen um entsprechende Frequenzauflösung zu bekommen. Eine normale FFT kommt allein nicht infrage, da die Frequenzauflösung nur 1/Messzeit beträgt. Für 1mHz Auflösung müsste man 1000s samplen, also unpraktikabel. Stattdessen kann man aber 2 FFT mit 0,5s Messzeit nehmen und um eine bestimmte Anzahl Samples versetzt laufen lassen. Diese Anzahl wählt man so, dass das 50Hz Signal ca. 30° Phasenversatz in beiden FFT bekommt. Die genaue Frequenz lässt sich dann aus dem gemessenen Phasenversatz in beiden Transformationen und deren Versatz berechnen.

Mit einem Cortex M4 oder ähnlichem und typischem integriertern ADC sollte ein vernünftige Auflösung machbar sein.

[ferdimh]

Der Ansatz "2x FFT und Phasenversatz" könnte ein Genauigkeitsproblem darstellen, weil bei kurzer Messzeit nur eine sinnvolle Phasenlage rauskommt, wenn ganze Perioden gemessen werden.
Der von mir weiter oben geschilderte PLL-Ansatz lässt sich auch digital impementieren (Been there, done that, wenn auch nicht für 50 Hz.).
Da, wo ich das gemacht habe, war richtig schön die Herkunft der Leute zu sehen:
- die Physiker haben erstmal alles gefittet (geht übrigens auch!)
- die Etechniker haben erstmal gefiltert und dann irgendwelche Analogschaltungen digital nachgebaut (es gab auch den digitalen Ratiodetektor...)

Ansätze die damals gut funktioniert haben:
- Sinusfit (ich habe aber nicht verstanden wie das geht)
- PLL in Software
- scharfes FIR-Bandpassfilter und Zeit zwischen Nulldurchgängen messen. Um den Nulldurchgang rum zwischen dem ersten positiven und dem ersten negativen Sample linear interpolieren.

Je nach Randbedingungen hat immer mal wieder ein anderer Ansatz am Besten funktioniert, die hier nötige Auflösung ("nur" ~5 Stellen) sollte auf allen Wegen erreichbar sein.

[Weisskeinen]

Na ja, ein Sinusfit ist halt, eine Sinusfunktion so in die Messdaten zu legen, dass der Fehler ein Minimum hat, also besonders klein wird (Methode kleinster Fehlerquadrate z.B.). Da man den Fehler sowieso ausrechnet, kann man sich das Filtern sparen. Dann wird der Absolutwert der Abweichungen vom Ideal zwar größer, das Minimum liegt aber immer noch an der gleichen Stelle. Am einfachsten aber rechenaufwändigsten ist es, einfach alle möglichen Frequenzen und Phasenlagen durchzuprobieren. Wenn man noch etwas Intelligenz rein steckt, geht das auch schneller. Als Ausgangspunkt könnte man z.B. eine FFT verwenden, die liefert auch gleich noch einen Startwert für die Phasenlage. Damit lassen sich Genauigkeiten weit jenseits der Samplingauflösung erreichen, Rauschen kann das Ergebnis aber, wie überall, verfälschen.
Für so einen armen Atmega ist das natürlich nichts...

[Fritzler]

Klingt nach nem Job für nen STM32H750 für u5€.
Hat nen 400MHz ARM Cortex-M7 Kern mit DSP Erweiterungen zum Nummernknuspern und 2 ADC zu 4,5MS/s welche interleaved laufen können -> 9MS/s.
Kanonen auf Spatzen, aber günstig!

[Gary]

Mein Freund meinte in den USA machen die das mit einem Handy. Über den Kopfhörer/Mikro die 50Hz rein, CPU, GPS und USV hat das Handy..
Die Daten kann es über WLAN oder Mobilfunknetz los werden.

[Weisskeinen]

Mein Freund meinte in den USA machen die das mit einem Handy. Über den Kopfhörer/Mikro die 50Hz rein, CPU, GPS und USV hat das Handy..
Die Daten kann es über WLAN oder Mobilfunknetz los werden.

DAS wäre aber mal Unterfrequenz...

[ferdimh]

Weisskeinen: Wenn du die Daten vor dem Fit nicht filterst, fütterst du die kompletten Rohdaten in den Fit. Das sind zweckmäßigerweise ziemlich viele Samples. Da kommst du mit der Rechenzeit auf keinen grünen Zweig.
-> Erst tiefpassfiltern, dann 90% der Samples wegwerfen, dann fitten.

[Heaterman]

Am 10.1.19 ist Abends die Netzfrequenz auf 49,8Hz eingebrochen, in Frankreich wurden 1,5GW Last abgeworfen das es nicht zu einem Blackout kommt.

Interessanter Bericht dazu (das Medium mal außen vor, der FAZ-Breicht ist hinter der Paywall):

https://www.tichyseinblick.de/kolumnen/ ... hne-strom/

[zauberkopf]

der FAZ-Breicht ist hinter der Paywall):

Da kann der auch gerne bleiben..
Interessant ist er eher aus Menschlicher sicht....
Nicht sehr intelligente Panikmache.... absolut übertrieben...

Interessant ist doch die Grafik : um punkt 20h sackt das Netz rapide ab.
Nicht 20:04, nicht 20:10 sondern punkt 20:00.
Also ist da irgendwas automatisch angesprungen... (und danach ist es automatisch wieder ausgegangen.. )

Die Franzosen zeichnen sich übrigens nicht nur aus, das sie überaus träge AKW's besitzen... sondern auch viele E-Heizungen haben.
Die lassen sich wirklich sehr gut, mal kurz ausschalten, ohne das es jemanden auffällt.

[Fritzler]

Zur vollen Stunde schlägt der Stromhandel zu, also habens die BWLer mal wieder verk*ckt.

[zauberkopf]

Sehr wahrscheinlich sogar...
... da fällt mir der Lieblingsspruch meines Kollegen an :
Wenn der Bademeister nicht schwimmen kann ist bestimmt die Badehose daran schuld...

[Weisskeinen]

Weisskeinen: Wenn du die Daten vor dem Fit nicht filterst, fütterst du die kompletten Rohdaten in den Fit. Das sind zweckmäßigerweise ziemlich viele Samples. Da kommst du mit der Rechenzeit auf keinen grünen Zweig.
-> Erst tiefpassfiltern, dann 90% der Samples wegwerfen, dann fitten.

Wieso? Das hängt doch von der Samplerate ab, vom Zeitintervall, in dem Samples genommen werden, von der Rechenleistung, von der gewünschten Update-Rate, von was weiß ich noch alles. So ein Tiefpassfilter kann dir auch schon wieder die Genauigkeit kaputt machen, das Ergebnis hängt ja auch vom Filter ab. Für einen Grobfit kann man das machen, wenn's genauer werden soll, muss man (dann) alle Daten nehmen. Eventuell kann man aber einen Tiefpassfilter finden, der sich nicht negativ auf das Ergebnis auswirkt. Da müsste mal ein Mathematiker was zu sagen...

[ferdimh]

Das Problem ist halt: Wenn ich die Samplerate niedrig wähle, brauche ich vorher ein schmales Antialiasfilter. Analog. Fehlerbehaftet. Blöd.
Wenn ich sie hoch wähle, ersaufe ich in Daten.
Ein Digitalfilter verhält sich zumindest immer gleich, ein FIR-Filter kann sogar eine Phasenverschiebung von "Null" darstellen (in der Theorie, in der Praxis muss man dazu ein Stück Zukunft kennen - daraus folgt eine konstante Verzögerungszeit).
Oder auch: Trust me, that's the way I became an engineer

[Weisskeinen]

Oder auch: Trust me, that's the way I became an engineer

Jou, is klaar. Wenn das hier ein Schwanzvergleich werden soll, ich bin in beiden Welten zu hause. Und ich habe schon genug Mist gesehen, um bei allem skeptisch zu sein...
Aber langsam wird's OT, wir sollten zur Fragestellung zurück kommen.

[duese]

Da versagt wieder das Vorstellungsvermögen ...
Dynamischer Phasenversatz in der Größe zweier Wellenlängen benötigt Blindströme in der Größenordnung des Wirkstroms. Nee! Dazu müßten auf der 6000km-Leine Generator und Last schnell mal vertauscht werden.

Allerdings gibt es bei Schaltvorgängen im Netz gern mal Phasenunterschiede an denen zu erkennen ist in welche Richtung sich der Strom die Energie bewegt.

Statisch sind 720° sicher nicht drin. Aber im Netz ist bei transienten Ereignissen dynamisch einiges los.

Ein Beispiel an das ich mich definitv erinnern kann:
In Spanien ist ein Kraftwerksblock mit ca. 500MW weggefallen (nicht runtergerampt). Das hat an den beiden Netzenden zum Fequenzpendelungen geführt. In der Mitte des Netzes (also ungefähr bei uns) hat das zu Leistungspendelungen geführt. Energie ist vom linken zum rechten Netzende hin und her geschwappt. Die Amplitude der Leistungspendelung in der Netzmitte waren ca. 2GW!