DE19744009C1

DE19744009C1 - Verfahren zum Erzeugen eines einen auf einer dreiphasigen Energieübertragungsleitung aufgetretenen dreipoligen Kurzschluß kennzeichnenden Signals

Info

Publication number: DE19744009C1
Application number: DE19744009A
Authority: DE
Inventors: Andreas Jurisch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: US6175810B1; CN1230690A; BR9803977A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen ei nes einen auf einer dreiphasigen elektrischen Energieübertra gungsleitung aufgetretenen dreipoligen Kurzschluß kennzeich nenden Signals, bei dem Phasenströme und Phasenspannungen un ter Bildung von Phasenstrom- und Phasenspannungsabtastwerten abgetastet werden und aus den Phasenstrom- und Phasenspan nungsabtastwerten das Signal gebildet wird.

Bei einem Verfahren dieser Art ("Bedienungshandbuch zum Schutzgerät 7SA513 V3.1" der Siemens AG, Seite 68) werden Phasenströme und Phasenspannungen unter Bildung von Phasen strom- und Phasenspannungsabtastwerten abgetastet. Aus diesen Abtastwerten wird ein Impedanzzeiger gebildet, der im Hin blick auf seine Änderungsgeschwindigkeit in der komplexen R- X-Impedanzebene untersucht wird; bei einer zu großen Ände rungsgeschwindigkeit des Impedanzzeigers in der R-X-Impedanz ebene wird ein einen dreipoligen Kurzschluß kennzeichnendes Signal erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu geben, mit dem dreipolige Kurzschlüsse während Pendelungen besonders zuverlässig erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebe nen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß aus den Phasen strom- und Phasenspannungsabtastwerten eine dem Augenblicks wert der Mitsystemwirkleistung der Energieübertragungsleitung proportionale Mitsystemwirkleistungsmeßgröße gebildet wird, die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße in ein digitales Filter eingespeist wird, in dem ein zeitlich exponentiell abklin gender, mit Netzfrequenz schwingender Meßwertanteil der Mit systemwirkleistungsmeßgröße ermittelt wird, die Mitsystem wirkleistungsmeßgröße in ein zweites digitales Filter einge speist wird, in dem ein zeitlich exponentiell abklingender, mit Netzfrequenz schwingender und zu dem einen Meßwertanteil orthogonaler weiterer Meßwertanteil der Mitsystemwirklei stungsmeßgröße ermittelt wird, die Mitsystemwirklei stungsmeßgröße in ein drittes digitales Filter eingespeist wird, in dem ein zeitlich mit einer Pendelfrequenz schwin gender Pendelanteilsmeßwert der Mitsystemwirkleistungsmeß größe bestimmt wird, der eine und der weitere Meßwertanteil jeweils quadriert und anschließend unter Bildung eines Netz frequenzanteilsmeßwertes der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße addiert werden und mit dem Pendelanteilsmeßwert und dem Netzfrequenzanteilsmeßwert das Signal erzeugt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß dreipolige Kurzschlüsse auch während Leistungspendelungen sehr zuverlässig erkannt werden können, da durch Verwendung der digitalen Filter der Pendelanteil und der Kurzschlußan teil in der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße getrennt werden, wodurch ein besonders sicheres Erkennen dreipoliger Kurz schlüsse auf der Energieübertragungsleitung möglich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem Pendelan teilsmeßwert und dem Netzfrequenzanteilsmeßwert das einen dreipoligen Kurzschluß kennzeichnende Signal bestimmt; beson ders einfach und damit vorteilhaft läßt sich dies erreichen, wenn der Pendelanteilsmeßwert quadriert wird, aus dem Netz frequenzanteilsmeßwert und dem quadrierten Pendelanteils meßwert ein Quotient gebildet wird und das Signal erzeugt wird, wenn der Quotient einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Besonders schnell und damit vorteilhaft läßt sich die Mitsy stemwirkleistungsmeßgröße bilden, wenn die Phasenstrom- und Phasenspannungsabtastwerte einer αβ-Transformation (Clarke- Transformation) unter Bildung transformierter Abtastwerte unterzogen werden und aus den transformierten Abtastwerten die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße gebildet wird.

Besonders einfach zu realisierende digitale Filter sind bei spielsweise nichtrekursive Filter, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn das eine, das zweite und/oder das dritte Filter nichtrekursive Filter (FIR-Filter) sind.

Zur Bestimmung des dreipoligen Kurzschlusses wird aus der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße erfindungsgemäß ein mit Netz frequenz schwingender, zeitlich exponentiell abklingender Meßwertanteil und ein mit Netzfrequenz schwingender, zeitlich exponentiell abklingender weiterer Meßwertanteil gebildet, wobei der eine und der weitere Meßwertanteil zueinander or thogonal sind; besonders einfach lassen sich diese Verfah rensschritte durchführen, wenn der eine Meßwertanteil sinus förmig und der weitere Meßwertanteil cosinusförmig ist.

Um zu vermeiden, daß niederfrequente Störsignale in der Mit systemwirkleistungsmeßgröße die Meßgenauigkeit beim Bestimmen der beiden Meßwertanteile beeinträchtigen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Mitsystemwirkleistungsmeß größe vor dem Einspeisen in das eine und das zweite Filter einer Hochpaßfilterung unterzogen wird.

Eine besonders hohe Meßgenauigkeit läßt sich beim erfindungs gemäßen Verfahren erreichen, wenn der eine und der weitere Meßwertanteil bestimmt werden, indem als das eine Filter ein zur Ausfilterung des Signalanteiles A.exp(-t/τ).sin(ωt) entworfenes Optimalfilter verwendet wird, wobei A eine Amplitude, τ eine Konstante und ω die Netzkreisfrequenz be zeichnen, und als das zweite Filter ein zur Ausfilterung des Signalanteiles B.exp(-t/τ).cos(ωt) entworfenes Optimalfil ter verwendet wird, wobei B eine weitere Amplitude bezeich net.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Impulsantwort eines Hochpaßfilters in der erfin dungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 Amplituden- und Phasengänge von digitalen Filtern in der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung 3 zur Raumzeigerbildung, die eingangsseitig in nicht dargestellter Weise über Stromwandler und Spannungswandler an drei Phasen einer dreiphasigen elektrischen Energieversorgungsleitung angeschlossen ist. Die Einrichtung 3 zur Raumzeigerbildung ist ausgangsseitig an eine Einrichtung 5 zur Bildung einer Mitsystemwirklei stungsmeßgröße angeschlossen, der ausgangsseitig ein Hoch paßfilter 7 nachgeordnet ist. Das Hochpaßfilter 7 ist aus gangsseitig an ein digitales Filter 9 und ein zweites digi tales Filter 11 angeschlossen. Den beiden Filtern 9 und 11 ist jeweils ein Quadrierer nachgeschaltet, wobei ein Quadrie rer 13 mit dem einen digitalen Filter 9 und ein weiterer Qua drierer 15 mit dem zweiten Filter 11 verbunden ist. Die bei den Quadrierer 13 und 15 sind ausgangsseitig an ein Addier glied 17 angeschlossen, dem ein Quotientenbildner 19 mit ei nem Eingang E19A nachgeordnet ist. Einem weiteren Eingang E19B des Quotientenbildners 19 ist ein dritter Quadrierer 21 vorgeordnet, der eingangsseitig an einen Ausgang eines drit ten digitalen Filters 23 angeschlossen ist. Dieses dritte digitale Filter 23 ist ebenfalls mit dem Ausgang der Einrich tung 5 zur Bildung einer Mitsystemwirkleistungsmeßgröße ver bunden. Der Quotientenbildner 19 ist ausgangsseitig an eine Schwellenwertvergleichseinrichtung 25 angeschlossen. Am Aus gang der Schwellenwertvergleichseinrichtung 25 wird im Falle eines dreipoligen Kurzschlusses auf der dreiphasigen elektri schen Energieübertragungsleitung ein entsprechendes Signal S abgegeben.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 1 läßt sich das Signal S wie folgt erzeugen. Zunächst werden in der Einrichtung 3 zur Raumzeigerbildung Phasenströme Ir, Is, It und Phasenspannun gen Ur, Us, Ut der nicht dargestellten dreiphasigen Energie übertragungsleitung unter Bildung von Phasenstrom- und Pha senspannungsabtastwerten Ur, Us, Ut, Ir, Is und It abgeta stet. Diese Abtastwerte werden einer 0αβ-Transformation (Clarke-Transformation) unterzogen, wodurch sich transfor mierte Stromabstastwerte Iα, Iβ sowie transformierte Span nungsabtastwerte Uα und Uβ bestimmen lassen (vgl. "Koordinatentransformationen zur Behandlung von Mehrphasensy stemen", H.-H. Jahn und R. Kasper, Archiv für Elektrotechnik, 56 (1974) S. 105-111):

Aus diesen transformierten Abtastwerten wird in der Einrich tung 5 zur Bildung einer Mitsystemwirkleistungsmeßgröße eine den Augenblickswert der Mitsystemwirkleistung proportionale Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P gebildet gemäß der folgenden Gleichung:

Im weiteren wird davon ausgegangen, daß die Mitsystem wirkleistungsmeßgröße P im Falle eines Kurzschlusses oder ei ner Netzpendelung einen zeitlichen Verlauf aufweist, der sich durch das folgende Signalmodell beschreiben läßt:

(6) P = P1.exp(-t/τ).sin(ωt) + P2.exp(-t/τ).cos(ωt) + C

Der erste Term P1.exp(-t/τ).sin(ωt) beschreibt hierbei einen zeitlich exponentiell abklingenden, mit Netzfrequenz schwingenden sinusförmigen Signalanteil der Mitsystem wirkleistungsmeßgröße P, der zweite Term P2.exp(-t/τ).cos(ωt) einen weiteren zeitlich exponentiell abklingenden, mit Netzfrequenz schwingenden Signalanteil der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P, wobei der eine und der weitere Signalanteil zueinander orthogonal sind, da der wei tere Signalanteil cosinusförmig ist. C bezeichnet einen mit einer Pendelfrequenz schwingenden Pendelanteilsmeßwert der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P, wobei der Pendelanteils meßwert C zeitabhängig ist und somit einen Augenblickswert kennzeichnet.

Das Signalmodell gemäß Gleichung (6) geht davon aus, daß bei einem dreipoligen Kurzschluß praktisch keine Wirkleistung und damit auch keine Mitsystemwirkleistung mehr umgesetzt wird, so daß die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P bei einem solchen Kurzschluß auf einen sehr kleinen Wert - nahe Null - abfallen muß; diesem Abfall der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P wird durch die ersten beiden Terme in der Gleichung (6) Rechnung getragen. In dem Signalmodell gemäß Gleichung (6) werden auch Leistungspendelungen erfaßt, und zwar durch den dritten Term bzw. durch den Pendelanteilsmeßwert C; mit dem Pendelanteils meßwert C werden nämlich diejenigen Frequenzanteile in der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P berücksichtigt, die un terhalb der Netzfrequenz liegen und damit für Netzpendelungen charakteristisch sind. Nähere Einzelheiten zur Ermittlung des Pendelanteilsmeßwertes C werden im Zusammenhang mit der Beschreibung des dritten digitalen Filters 23 erläutert.

Die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P wird zu dem Hochpaßfil ter 7 übertragen, in dem die niederfrequenten Anteile mit Frequenzen unterhalb der Netzfrequenz in der Mitsystem wirkleistungsmeßgröße P durch Filterung entfernt werden und eine gefilterte Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P' gebildet wird. Diese gefilterte Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P' ge langt zu dem einen digitalen Filter 9 und zu dem zweiten di gitalen Filter 11. In dem einen digitalen Filter 9 wird aus der gefilterten Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P' durch di gitale Filterung ein zeitlich exponentiell abklingender und mit Netzfrequenz schwingender Meßwertanteil A ermittelt, der dem ersten Term in dem Signalmodell gemäß Gleichung (6) ent spricht. Das eine digitale Filter 9 ist hierzu als Optimal filter zur Ausfilterung des Signalanteiles P1.exp(-t/τ).sin(ωt) entworfen. Der Entwurf von Optimalfil tern läßt sich der einschlägigen Fachliteratur entnehmen (s. beispielsweise Thomas P. Krauss, Loren Shure, John N. Little, THE MATH WORKS Inc. "Signal Processing Toolbox"; Helmut Schwarz, "Optimale Regelung und Filterung", Akademie-Verlag Berlin, 1981, Seiten 100 bis 116; Jürgen Wede und Dietrich Werner, "Echtzeitprozeßmodelle auf der Basis von Parameter schätzverfahren", VEB Verlag Technik Berlin, 1985, Seiten 30 bis 35; Jürgen Wernstedt, "Experimentelle Prozeßanalyse", VEB Verlag Technik Berlin, 1989). Ausführungsbeispiele für die drei digitalen Filter 9, 11 und 23 gemäß Fig. 1 sind in der Fig. 3 in Form von Amplituden- und Phasenverläufen darge stellt. In dem zweiten Filter 11 wird ein weiterer zeitlich exponentiell abklingender und mit Netzfrequenz schwingender Meßwertanteil B ermittelt, der dem zweiten Term in dem Si gnalmodell gemäß Gleichung (6) entspricht; hierzu ist das zweite Filter 11 als Optimalfilter zur Ausfilterung des Signalanteils P2.exp(-t/τ).cos(ωt) entworfen.

Der eine Meßwertanteil A gelangt zu dem einen Quadrierer 13 und der weitere Meßwertanteil B zu dem weiteren Quadrierer 15; in den beiden Quadrierern 13 und 15 werden die jeweils anliegenden Meßwertanteile A und B unter Bildung eines qua drierten Meßwertanteiles A² und eines quadrierten weiteren Meßwertanteiles B² quadriert. Die beiden quadrierten Meß wertanteile A² und B² gelangen zu dem Addierglied 17 in dem ein Netzfrequenzanteilsmeßwert P 2|50 der gefilterten Mitsy stemwirkleistungsmeßgröße P' und damit der Mitsystemwirklei stungsmeßgröße P durch Addition gebildet wird. Dieser Netz frequenzanteilsmeßwert P 2|50 gelangt zu dem Quotientenbildner 19.

Die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P wird von der Einrichtung 5 zur Bildung einer Mitsystemwirkleistungsmeßgröße außerdem zu dem dritten digitalen Filter 23 übertragen, in dem der zeitlich mit einer Pendelfrequenz schwingende Pendelan teilsmeßwert C der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße P gebildet wird. Da die Pendelfrequenz vorab jedoch nicht bekannt ist, wird der Pendelanteilsmeßwert konkret in der Weise bestimmt, daß mit dem Pendelanteilsmeßwert alle diejenigen Signalanteile erfaßt werden, deren Frequenz unterhalb der Netzfrequenz liegt; d. h. es wird berücksichtigt, daß Pende lungen Pendelfrequenzen aufweisen, die deutlich kleiner sind als die Netzfrequenz. Bei dem dritten Filter 13 handelt es sich also im wesentlichen um ein Tiefpaßfilter, das nur kleine und damit für Netzpendelungen charakteristische Fre quenzen ungedämpft durchläßt. Der Filterentwurf für das dritte digitale Filter 23 läßt sich ebenfalls der Fig. 3 entnehmen. Der Pendelanteilsmeßwert C wird zu dem dritten Quadrierer 21 übertragen und dort unter Bildung eines qua drierten Pendelanteilsmeßwertes C² quadriert. Der quadrierte Pendelanteilsmeßwert C² gelangt zu dem weiteren Eingang E19B des Quotientenbildners 19.

In dem Quotientenbildner 19 wird aus dem Netzfrequenzanteils meßwert P 2|50 und dem quadrierten Pendelanteilsmeßwert C² ein Quotient P 2|50/C² gebildet, der zur Schwellenwertvergleichs einrichtung 25 übermittelt wird. In dieser Einrichtung 25 wird der Quotient P 2|50/C² im Hinblick auf das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes überwacht. Überschreitet der Quotient P 2|50/C² einen Schwellenwert von beispielsweise 0,25, so wird am Ausgang der Schwellenwertvergleichseinrich tung 25 das Signal S erzeugt, das - wie bereits erläutert - einen auf der dreiphasigen elektrischen Energieübertragungs leitung aufgetretenen dreipoligen Kurzschluß kennzeichnet. Falls der Quotient P 2|50/C² den Schwellenwert unterschreitet, so ist der Pendelanteilsmeßwert C zu groß, woraus sich schließen läßt, daß eine Netzpendelung auf der Energieüber tragungsleitung aufgetreten ist und kein dreipoliger Kurz schluß; in diesem Fall wird das Signal S nicht erzeugt.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Hochpaßfil ter 7 in Form einer digitalen Impulsantwort.

Die Fig. 3 zeigt - wie bereits erläutert - Ausführungsbei spiele für das eine digitale Filter 9, das zweite digitale Filter 11 und das dritte digitale Filter 23 in Form von Amplituden- und Phasengängen. Die drei Filter 9, 11 und 23 können z. B. als FIR-Filter ausgeführt sein; geeignete Fil terkoeffizienten für diese FIR-Filter lassen sich beispiels weise unter Verwendung des bekannten Programmpakets MATLAB® (The MathWorks Inc, Natick, Mass., USA) mit folgender MATLAB®-Quelldatei erzeugen:

Die Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen des einen auf einer dreiphasigen Energieübertragungsleitung aufgetretenen dreipoligen Kurzschluß kennzeichnenden Signals mit der An ordnung gemäß Fig. 1 kann beispielsweise in einer Datenver arbeitungsanlage erfolgen.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines einen auf einer dreiphasigen elektrischen Energieübertragungsleitung aufgetretenen dreipo ligen Kurzschluß kennzeichnenden Signals (S), bei dem

- Phasenströme und Phasenspannungen unter Bildung von Phasen strom- und Phasenspannungsabtastwerten (Ir, Is, It, Ur, Us, Ut) abgetastet werden und
- aus den Phasenstrom- und Phasenspannungsabtastwerten (Ir, Is, It, Ur, Us, Ut) das Signal (S) gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- aus den Phasenstrom- und Phasenspannungsabtastwerten (Ir, Is, It, Ur, Us, Ut) eine dem Augenblickswert der Mitsystem wirkleistung der Energieübertragungsleitung proportionale Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) gebildet wird,
- die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P, P') in ein digitales Filter (9) eingespeist wird, in dem ein zeitlich exponenti ell abklingender, mit Netzfrequenz schwingender Meßwertan teil (A) der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) ermittelt wird,
- die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P, P') in ein zweites digitales Filter (11) eingespeist wird, in dem ein zeitlich exponentiell abklingender, mit Netzfrequenz schwingender und zu dem einen Meßwertanteil (A) orthogonaler weiterer Meßwertanteil (B) der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) ermittelt wird,
- die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) in ein drittes digi tales Filter (23) eingespeist wird, in dem ein zeitlich mit einer Pendelfrequenz schwingender Pendelanteilsmeßwert (C) der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) bestimmt wird,
- der eine und der weitere Meßwertanteil (A, B) jeweils qua driert und anschließend unter Bildung eines Netzfrequenz anteilsmeßwertes (P 2|50) der Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) addiert werden und
- das Signal (S) unter Heranziehung des Pendelanteilsmeßwertes (C) und des Netzfrequenzanteils meßwertes (P 2|50) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Pendelanteilsmeßwert (C) quadriert wird,
- aus dem Netzfrequenzanteilsmeßwert (P 2|50) und dem quadrier ten Pendelanteilsmeßwert (C²) ein Quotient (P 2|50/C²) gebil det wird und
- das Signal (S) erzeugt wird, wenn der Quotient (P 2|50/C²) ei nen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Phasenstrom und Phasenspannungsabtastwerte (Ir, Is, It, Ur, Us, Ut) einer αβ-Transformation unter Bildung transformierter Abtastwerte (Iα, Iβ, Uα, Uβ) unterzogen werden und
- aus den transformierten Abtastwerten (Iα, Iβ, Uα, Uβ) die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- das eine, das zweite und/oder das dritte Filter (9, 11, 23) nichtrekursive Filter (FIR-Filter) sind.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der eine Meßwertanteil (A) sinusformig und der weitere Meß wertanteil (B) cosinusförmig ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Mitsystemwirkleistungsmeßgröße (P) vor dem Einspeisen in das eine und das zweite Filter (9, 11) einer Hochpaßfil terung unterzogen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- als das eine Filter (9) ein zur Ausfilterung des Signalan teiles A.exp(-t/τ).sin(ωt) entworfenes Optimalfilter ver wendet wird, wobei A eine Amplitude, τ eine Konstante und ω die Netzkreisfrequenz bezeichnen, und
- als das zweite Filter (11) ein zur Ausfilterung des Signalanteiles B.exp(-t/τ).cos(ωt) entworfenes Optimal filter verwendet wird, wobei B eine weitere Amplitude be zeichnet.