DE4434705C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von mindestens zwei redundanten Reglerkanälen einer Erregereinrichtung eines elektrischen Generators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Überwachung von mindestens zwei redundanten Reglerkanälen einer Erreger­ einrichtung eines elektrischen Generators.

Um die Ausfallsicherheit einer technischen Einrichtung zu er­ höhen, werden üblicherweise redundante Komponenten einge­ setzt. Derartige redundante Komponenten bestehen üblicher­ weise aus zwei oder mehreren gleichwertigen Reglerkanälen, wobei zusätzlich eine Entscheidungseinrichtung erforderlich ist, die einen störungsfrei arbeitenden oder das richtige Er­ gebnis liefernden Reglerkanal auswählt. Dazu wird den gleich­ wertigen, voneinander getrennt arbeitenden Reglerkanälen als Entscheidungseinrichtung ein Überwachungskanal zugeordnet, der eine Anzahl von Überwachungsfunktionen durchführt und zur Freigabe einer Stellgröße von einem auf den anderen Reglerka­ nal umschaltet.

Ein derartiger Überwachungskanal für zwei redundant arbeitende Reglerkanäle ist aus der DE 32 25 455 C2 bekannt.

Der Einsatz eines Überwachungskanals ist daher prinzipiell ein Kompromiß zwischen einfacher Redundanz und einer Zwei- aus-drei-Auswahl bei drei redundanten Reglerkanälen. Dabei ist das Wesen eines herkömmlichen Überwachungskanals digita­ ler Natur, d. h. aus digitalen Eingangsgrößen werden digitale Ausgangsgrößen abgeleitet, wobei der Überwachungskanal kon­ kret die Aufgabe hat, zu entscheiden, ob der eine Reglerkanal oder der andere Reglerkanal eingeschaltet wird. Allerdings besteht das Problem, aufgrund welcher Entscheidungskriterien eine sichere Aussage darüber getroffen werden kann, welcher Reglerkanal störungsfrei arbeitet, oder ob und gegebenenfalls welcher Reglerkanal gestört ist. Insbesondere für den Fall, daß einerseits keiner der Reglerkanäle störungsfrei arbeitet, andererseits aber lediglich Teilfunktionen der Reglerkanäle gestört sind, folgt entweder unabhängig von der Art und dem Grad der Störung eine Abschaltung jedes der Reglerkanäle oder eine unkontrollierte Regelung, was letztendlich zu einem vollständigen Versagen der Regelung führen kann.

Auch eine Auswertung von in den einzelnen Reglerkanälen auf­ grund einer Eigenüberwachung erstellten Meldungen ermöglicht häufig keine eindeutige Aussage über die Richtigkeit der Ar­ beitsweise der Reglerkanäle oder über die Plausibilität der von diesen erstellten Ergebnissen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überwa­ chungsverfahren und eine Überwachungseinrichtung für redundante Reglerkanäle einer Erregerein­ richtung eines elektrischen Generators anzugeben, das eine Auswahl des am zuverlässigsten arbeitenden Reglerkanals ge­ währleistet.

Bezüglich des Verfahrens, bei dem für jeden Reglerkanal ein die Zuverlässigkeit seiner Arbeitsweise charakterisierender Status bestimmt wird, und bei dem in Abhängigkeit vom Status der Reglerkanäle einer der Reglerkanäle ausgewählt wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zwar ist der Einsatz von Fuzzy Logic als Regelsystem an sich aus dem Aufsatz von M. Koch, T. Kuhn und J. Wernstedt: Ein neues Entwurfskonzept für Fuzzy-Regelungen. In: at-Automati­ sierungstechnik 41 (1993) 5, Seiten 152 bis 158, bekannt. Aus dieser Druckschrift geht jedoch hervor, daß Fuzzy Logic als Ersatz für konventionelle Regeltechnik, wie beispiels­ weise für einen IPD-Regler, zum Einsatz kommen sollte. Die hohe Komplexität eines derartigen Reglers spiegelt sich da­ bei in einer entsprechenden Komplexität der Fuzzy Logic wi­ der.

Im Gegensatz dazu ist der im Überwachungskanal ablaufende Prozeß seiner Natur nach digital, da er zu "ja/nein"-Ent­ scheidungen führt. Daher erscheint hierfür der Einsatz von Fuzzy Logic mit der entsprechenden hohen Komplexität zu­ nächst nicht vorteilhaft. Nimmt man jedoch den vergleichs­ weise hohen Komplexitätsgrad von Fuzzy Logic auch für den Überwachungskanal in Kauf, so ist eine Auswahl eines beson­ ders zuverlässigen Reglerkanals erreichbar.

Um in besonders zuverlässiger Weise eine mögliche Störung zu lokalisieren und/oder zu diagnostizieren, werden aus für die Erregereinrichtung charakteristischen Meßwerten jedes Regler­ kanals Zustände gebildet, die mit die Zuverlässigkeit des Reglerkanals bestimmenden Wichtungsfaktoren versehen werden, wobei diese Zustände nach für den Betrieb der Erregereinrich­ tung relevantem technologischem Wissen verknüpft werden, und wobei die Auswahl eines der Reglerkanäle mittels eines Ver­ gleichs der mit den Wichtungsfaktoren versehenen Zustände er­ folgt.

Die aufgrund der erforderlichen Redundanz auch der Mittel zur Meßwerterfassung und Meßwertübertragung besonders vielfälti­ gen Überwachungsaufgaben der redundanten Reglerkanäle der Er­ regereinrichtung werden in dem der Fuzzy Logic zugrundelie­ genden Regelwerk berücksichtigt, das auf der Grundlage beste­ henden technologischen Wissens erstellt wird und beliebig er­ weitert werden kann. Dabei ist, insbesondere in einem Kraft­ werk mit allgemein bekannter Regelstrecke, die Voraussetzung erfüllt, daß die Regelung vorhersagbar arbeitet. Darüber hin­ aus ist eine Regelung auch dann sichergestellt, wenn keiner der Reglerkanäle einwandfrei arbeitet, wobei dann stets der­ jenige Reglerkanal ausgewählt wird, der den geringsten Stö­ rungsgrad aufweist und dessen Zuverlässigkeit innerhalb des einstellbaren Schwellwertbereichs liegt.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Überwachungsvorrichtung für zwei redundante Reg­ lerkanäle einer Erregereinrichtung eines elektrischen Genera­ tors, und

Fig. 2 ein Funktionsschema der Überwachungsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen mit einem dreiphasigen elektrischen Netz 2 verbundenen Generator 4 und dessen Erregereinrichtung 6. Diese ist mit einer aus zwei gleichwertigen redundanten Reglerkanälen 8a, 8b und einem Überwachungskanal 8c aufgebauten Reglereinrich­ tung 8 verbunden. Die Erregereinrichtung 6 umfaßt ein Erre­ gerstellglied 10, zum Beispiel einen Thyristorstromrichter, eine Erreger- oder Läuferwicklung 12 und eine Entregungs­ schaltung 14. Diese dient zum Zu- oder Abschalten des die Leistung führenden Teils oder Leistungsteils 15 des Erreger­ stellgliedes 10 an eine bzw. von einer dreiphasigen Eigenbe­ darfsschiene 16, die über einen Transformator 18 mit dem Netz 2 verbunden ist; dies ist durch einen geöffneten Schalter 20 angedeutet.

Die Reglerkanäle 8a, 8b sind über einen Datenbus 21 miteinan­ der und jeweils über einen Datenbus 22a, 22b mit dem Überwa­ chungskanal 8c verbunden. Die Reglerkanäle 8a, 8b sind weiter zur Meßwertaufnahme sowohl mit dem dreiphasigen Netz 2 als auch mit dem Leistungsteil 15 des Erregerstellgliedes 10 ver­ bunden. Dazu ist der Reglerkanal 8a über Meßleitungen 23a und 24a mit einem Spannungswandler 26a bzw. einem Stromwandler 28a verbunden, die ihrerseits mit dem Leistungsteil 15 des Erregerstellgliedes 10 verbunden sind. Ebenso ist der Regler­ kanal 8b über Meßleitungen 23b und 24b mit einem Spannungs­ wandler 26b bzw. einem Stromwandler 28b verbunden. Die Reg­ lerkanäle 8a und 8b sind in gleicher Weise über Meßleitungen 30a, 32a und 30b, 32b jeweils mit Spannungswandlern 34a, 34b und mit Stromwandlern 36a bzw. 36b verbunden, die ihrerseits jeweils mit einer der drei Phasen L₁, L₂ und L₃ des elektri­ schen Netzes 2 verbunden sind.

Die Reglerkanäle 8a, 8b sind ferner mit einer Leitwarte 38 verbunden. Von dort erfolgen Meldungen über den jeweiligen Betriebszustand eines aus dem Generator 4 und einer (nicht dargestellten) Turbine aufgebauten Turbosatzes. So erfolgt zum Beispiel eine Meldung, wenn der Turbosatz im Anfahr- oder Normalbetrieb arbeitet und/oder wenn der Generator 4 an ein Insel- oder Verbundnetz angeschlossen ist. Des weiteren er­ folgt eine Meldung über den Zustand der Reglerkanäle 8a, 8b, das heißt, ob zum Beispiel einer der Reglerkanäle 8a oder 8b abgeschaltet ist.

An den Überwachungskanal 8c werden von den beiden Reglerkanä­ len 8a und 8b über die Datenbusse 22a bzw. 22b für die Erre­ gereinrichtung 6 charakteristische Meßwerte MW übertragen. Diese sind Ist-Werte der von den Spannungswandlern 26a, 26b erfaßten Erregerspannung U_g und des von den Stromwandlern 28a, 28b erfaßten Erregerstroms I_g. Diese sind außerdem Ist- Werte der von den Spannungswandlern 34a, 34b erfaßten Genera­ torspannungen U_u, U_v, U_w und der von den Stromwandlern 36a, 36b erfaßten Generatorströme I_u, I_v, I_w der drei Phasen L₁, L₂ bzw. L₃ des elektrischen Netzes 2. Der Überwachungskanal 8c empfängt diese Meßwerte MW und/oder daraus abgeleitete Kenngrößen KG bevorzugt in Form von Telegrammen. Dabei er­ folgt eine Vorverarbeitung der Meßwerte MW zur Bildung der Kenngrößen KG, zum Beispiel eine Grenzwertüberwachung oder Plausibilitätskontrolle, bereits in den Reglerkanälen 8a, 8b. Die Vorverarbeitung der Meßwerte MW kann aber auch im Überwa­ chungskanal 8c erfolgen.

Die Überwachung und Ausfallerkennung der Reglerkanäle 8a, 8b erfolgt im Überwachungskanal 8c. Dazu wird aus den Meßwerten MW und/oder Kenngrößen KG, die für die Erregereinrichtung 6 charakteristisch sind und von den Reglerkanälen 8a, 8b gelie­ fert werden, mittels Fuzzy Logic und anhand von für die Erre­ gereinrichtung 6 relevantem technologischem Wissen ein Status für die Arbeitsweise oder Funktionsfähigkeit der beiden Reg­ lerkanäle 8a, 8b bestimme. Ein in dem Überwachungskanal 8c in Abhängigkeit vom Status der im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Reglerkanäle 8a, 8b gebildetes und den Reglerkanälen 8a, 8b gemeinsames Signal S wird einer Umschaltvorrichtung 40 aufgegeben. Diese dient zum Umschalten von einem auf den anderen Reglerkanal 8a oder 8b, so daß stets mindestens einer der Reglerkanäle 8a oder 8b seine Stellgröße ST_a bzw. ST_b an das Erregerstellglied 10 - zum Beispiel die Zündimpulse für den Thyristorstromrichter - ab­ gibt.

Ein Funktionsschema der Arbeitsweise des Überwachungskanals 8c zur Überwachung und Ausfallerkennung der Reglerkanäle 8a, 8b ist in Fig. 2 dargestellt. Die dem Überwachungskanal 8c zugeführten Meßwerte MW und/oder Kenngrößen KG werden zu­ nächst in einem Rechnerbaustein 50 mittels Fuzzy Logic in un­ scharfe Zustände umgewandelt. Dazu wird zum Beispiel aus den Meßwerten MW mittels geeigneter Zugehörigkeitsfunktionen, zum Beispiel mittels Dreiecksfunktionen, der Zustand "der Meßwert ist klein", "der Meßwert ist mittel" oder "der Meßwert ist groß" gebildet. Aus dem Anteil des aktuellen Meßwerts MW an dem je­ weiligen Zustand wird ein Wichtungsfaktor gebildet, der zur Qualifizierung der Zustände mit diesen verknüpft wird. Im folgenden sind der Zustand mit Z und der Wichtungsfaktor mit k bezeichnet.

So wird zum Beispiel der von dem Stromwandler 36a des Regler­ kanals 8a gemessene Ist-Wert des Generatorstroms I_u mittels der Zugehörigkeitsfunktionen umgewandelt in die Zustände "I_u ist zu 20% klein" und "I_u ist zu 80% mittel". Die daraus abgeleiteten Wichtungsfaktoren k sind dann zum Beispiel 0,2 bzw. 0,8, so daß der Zustand Z "I_u ist klein" mit dem Faktor 0,2 und der Zustand Z "I_u ist mittel" mit dem Faktor 0,8 ver­ knüpft sind.

Diese mit den Wichtungsfaktoren k verknüpften Zustände Z wer­ den in einem Verknüpfungsbaustein 52 mit anderen, ebenfalls in dem Rechnerbaustein 50 gebildeten qualifizierten Zuständen kZ verknüpft. Diese Verknüpfung erfolgt nach für den Betrieb der Erregereinrichtung 6 relevantem technologischem Wissen, das in Form von Regeln in einer Wissensbasis 54 abgelegt ist. Die Auswertung der Wissensbasis 54 bei einer konkreten Anwen­ dung erfolgt mittels des Rechnerbausteins 50 (Inferenzkomponente), der die Verarbeitung des Wissens in Form von logischen Schlußfolgerungen, das heißt anhand der Regeln, steuert. Die zur Bildung der Zustände Z oder der qua­ lifizierten Zustände kZ eingesetzte Fuzzy Logic, die kontinu­ ierliche Zwischenwerte zwischen reinen Ja/Nein-Aussagen er­ laubt, dient dabei zur Verarbeitung unsicheren Wissens. Der zusammen mit der Wissensbasis 54 in der Art eines Expertensy­ stems aufgebaute Verknüpfungsbaustein 52 ermöglicht auch die Verarbeitung scharfer oder numerischer Werte, die ebenfalls mittels des Rechnerbausteins 50 in die bei der Fuzzy Logic üblichen sprachlichen Größen umgesetzt werden.

So wird zum Beispiel der Ist-Wert des Generatorstroms I_u ver­ knüpft mit dem Ist-Wert der Generatorspannung U_u. Ist der in dem Rechnerbaustein 50 für die Generatorspannung U_u ermit­ telte Zustand Z "U_u ist groß" und ist der Wichtungsfaktor k = 0,8, so ergibt eine "und"-Verknüpfung der Zustände Z "I_u ist mittel" und "U_u ist groß" den Zustand "Störung" für den Reg­ lerkanal 8a. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit dieser Aussage oder dieses Ergebnisses ermittelt aus einer Verknüpfung der Wichtungsfaktoren k dieser Zustände Z mittels eines Opera­ tors, zum Beispiel eines Multiplizierers. Liegt die Wahr­ scheinlichkeit der Störung oberhalb eines Schwellwertes, so wird der Reglerkanal 8a abgeschaltet und es erfolgt - mittels der Umschaltvorrichtung 40 - eine Umschaltung auf den Regler­ kanal 8b.

Liegt dagegen die Zuverlässigkeit des Reglerkanals 8a inner­ halb eines Schwellwertbereichs von z. B. 60% bis 90% oder dar­ über, und liegt die Zuverlässigkeit des anderen Reglerkanals 8b außerhalb dieses Schwellwertbereichs, so bleibt der Reg­ lerkanal 8a in Betrieb und es erfolgt keine Umschaltung. Mit anderen Worten: Solange die Zuverlässigkeit mindestens eines der Reglerkanäle 8a oder 8b innerhalb dieses, vorzugsweise einstellbaren, Schwellwertbereichs liegt, ist ein vollständi­ ges Versagen der Regelung der Erregereinrichtung 6 vermieden, auch wenn keiner der Reglerkanäle 8a bzw. 8b absolut stö­ rungs- oder fehlerfrei arbeitet. Dabei wird jeweils der Reg­ lerkanal 8a, 8b mit der höchsten Zuverlässigkeit oder dem ge­ ringsten Störungsgrad ausgewählt. Die Schwellwertabfrage oder Schwerpunktbildung und die Erzeugung des Signals S erfolgt in einem Baustein 56.

In dem Verknüpfungsbaustein 52 werden in gleicher Weise auch aus den Meßwerten MW und/oder Kenngrößen KG der beiden redun­ danten Reglerkanäle 8a, 8b in dem Rechnerbaustein 50 gebildete Zu­ stände Z verknüpft und miteinander verglichen. Aus dem Ergeb­ nis dieses Vergleichs wird eine Aussage über die Arbeitsweise der Erregereinrichtung 6 und/oder der Meßwertübertragung zwi­ schen den Wandlern 26, 28 oder den Wandlern 34, 36 und den Reglerkanälen 8a bzw. 8b abgeleitet. Liegt zum Beispiel nur in einem der Reglerkanäle 8a oder 8b eine Unsymmetrie bezüg­ lich der Ist-Werte der Generatorspannungen U_u, U_v und U_w oder der Generatorströme I_u, I_v und I_w der drei Phasen L₁, L₂ und L₃ des elektrischen Netzes 2 vor, so ist die Wahrscheinlich­ keit für eine Störung in der Erregereinrichtung 6 oder im elektrischen Netz 2 gering, zum Beispiel für einen Kurzschluß im Leistungsteil 15 bzw. für einen einphasigen Kurzschluß im elektrischen Netz 2, während der die Unsymmetrie aufweisende Reglerkanal 8a bzw. 8b mit großer Wahrscheinlichkeit gestört ist. Ergibt beispielsweise die Summe der drei Ist-Werte der Generatorspannungen U_u, U_v und U_w einen Wert, der wesentlich von Null verschieden ist, so läßt dies auf einen Defekt eines der drei Spannungswandler 34a oder 34b als Ist-Wertgeber und damit auf einen Ausfall eines Reglerkanals 8a bzw. 8b schließen.

Durch die Verknüpfung der mittels Fuzzy Logic aus den Meßwer­ ten MW und/oder Kenngrößen KG gebildeten Zustände Z anhand von Regeln, die in systematischer Form in der Wissensbasis 54 abgelegt sind, ist eine zuverlässige Überwachung und Ausfall­ erkennung der Reglerkanäle 8a, 8b gewährleistet. Die Zuver­ lässigkeit eines dabei abgeleiteten Ergebnisses kann durch zusätzliche Verknüpfungen anhand einer Anzahl von unter­ schiedlichen Regeln aus der Wissensbasis 54 erhöht werden. Die Wissensbasis 54 kann auch nach der Inbetriebnahme der Reglereinrichtung 8 aufgrund von Betriebserfahrungen erwei­ tert werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Überwachung von mindestens zwei redundanten Reglerkanälen (8a, 8b) einer Erregereinrichtung (6) eines elektrischen Generators (4), bei dem für jeden Reglerkanal (8a, 8b) ein die Zuverlässigkeit seiner Arbeitsweise charak­ terisierender Status bestimmt wird, und bei dem in Abhängig­ keit vom jeweiligen Status der Reglerkanäle (8a, 8b) einer der Reglerka­ näle (8a, 8b) ausgewählt wird, wobei die Statusbestimmung für die Reglerkanäle (8a, 8b) und die Auswahl eines der Reglerka­ näle (8a, 8b) hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit mittels Fuzzy Logic erfolgt, und wobei anhand eines einstellbaren Schwellwertbereichs für die Zuverlässigkeit einer der Reglerkanäle (8a, 8b) ausgewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus für die Erregereinrichtung (6) charakteristischen Meßwerten (MW, KG) jedes Reglerkanals (8a, 8b) Zustände (Z) ermittelt werden, wobei die mit die Zuverlässigkeit des Reglerkanals (8a, 8b) bestimmenden Wichtungsfaktoren (12) versehenen Zustände (Z) nach für den Betrieb der Erregereinrichtung (6) relevantem technologischen Wissen verknüpft werden, und wobei die Aus­ wahl eines der Reglerkanäle (8a, 8b) anhand der mit den Wichtungsfaktoren (12) versehenen Zustände (Z) erfolgt.

3. Vorrichtung zur Überwachung von mindestens zwei redundan­ ten Reglerkanälen (8a, 8b) einer Erregereinrichtung (6) eines elektrischen Generators (4) mit einem Überwachungskanal (8c), der mit jedem Reglerkanal (8a, 8b) verbunden ist über einen Da­ tenbus (22a, 22b) zur Übertragung von für den Betrieb der Er­ regereinrichtung (6) charakteristischen Meßwerten (MW, KG), wobei der Überwachungskanal (8c) umfaßt:

• a) einen Rechnerbaustein (50) zur Bearbeitung der Meßwerte (MW, KG) nach Fuzzy Logic, zur Ermittlung von Zuständen (Z) aus den Meßwerten (MW, KG) und zur anschließenden Bildung von daraus abgeleiteten qualifizierten Zuständen (kZ),
• b) einen Verknüpfungsbaustein (52) zum Verknüpfen der quali­ fizierten Zustände (kZ) nach Regeln aus für den Betrieb der Erregereinrichtung (6) relevanten technologischen Speicherwerten und zur Bestimmung der Zuverlässigkeit der Ar­ beitsweise für jeden Reglerkanal (8a, 8b), und
• c) einen Baustein (56) zum Vergleichen der Zuverlässigkeit jedes Reg­ lerkanals (8a, 8b) mit einem einstellbaren Schwellwert und zur Bildung eines Signals (S) zur Auswahl eines der Regler­ kanäle (8a, 8b).