DE68904743T2

DE68904743T2 - Verfahren zum nachweis elektrischer groessen.

Info

Publication number: DE68904743T2
Application number: DE8989110589T
Authority: DE
Inventors: Sunao Mitsubishi Denki Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-11-16
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2009-06-13
Also published as: US4943766A; KR920005055B1; EP0371192A1; JPH0737998B2; DE68904743D1; AU606528B2; KR900008284A; JPH02136751A; EP0371192B1; AU3626689A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Amplitudenwertes einer elektrischen Größe wie z.B. einer Wechselspannung, eines Wechselstromes o.dgl. in einem elektrischen System und insbesondere ein Erfassungsverfahren, bei welchem die Frequenzeigenschaften betreffend die zu erfassende Größe verbessert werden, um den Amplitudenwert mit geringem Fehler zu erhalten.

Beschreibung des Standes der Technik

Figur 1 ist ein Diagramm, das das Prinzip einer digitalen Verarbeitungseinrichtung einer elektrischen Wechselstromgröße im Stand der Technik darstellt, der beispielsweise in der der JP-A-1173877 beschrieben ist, bei welchem das Abtasten pro jedem elektrischen Winkel von 90º des Wechselstromes durchgeführt und sein Amplitudenwert unter Verwendung von drei Daten geschätzt wird. Unter der Annahme, daß in Figur 1 der Abtastwert 1 zum gegenwärtigen Zeitpunkt i(0) ist, der Abtastwert 2 zu einem Zeitpunkt um eine Zeitperiode (T) vor dem gegenwärtigen Zeitpunkt i(T) ist, ist ein Abtastwert 2 zu einem Zeitpunkt um eine Zeitperiode (T) vor dem gegenwärtigen Zeitpunkt i(T) und ein Abtastwert 3 zu einem Zeitpunkt um zwei Zeitperioden (2T) vor dem gegenwärtigen Zeitpunkt i(2T), und von den entsprechenden Abtastwerten 1 bis 3 wird das Quadrat in Quadrierungsschritten 6 bis 8 gebildet, und das Ergebnis nur des Quadrierungsschrittes 4 wird in einem zweiten Operationsschritt 32 verdoppelt.
Die in den Quadrierungsschritten 6 und 8 und dem Verdopplungsschritt 32 erhaltenen Ergebnisse werden in einem Additionsschritt 14 addiert, um die Gesamtsumme zu erhalten. Wenn die Gesamtsumme in einem Divisionsschritt 33 durch 2 geteilt und seine Quadratwurzel in einem Radizierungsschritt 16 ermittelt wird, erhält man an einem Anschluß 17 ein Ausgangssignal Fn, bei dem es sich um den Amplitudenwert des Wechselstromes handelt.
Als nächstes wird die Funktion beschrieben. Aus Gründen einer besseren Erklärung, ist die elektrische Wechselgröße ein Wechselstrom und sein Maximalwert ist I, sein Augenblickswert i = I sinθ, die Grundfrequenz f&sub0; und eine Abtastperiode T 1/4 der Periode der Grundfrequenz f&sub0;. Um die Daten pro Abtastzeit zu unterscheiden, wird nT (n = 0, 1, 2,..., und n = 0 soll der gegenwärtige Zeitpunkt sein) als Suffix verwendet und wird i als i(0), i(T), i(2T), ... ausgedrückt.
Dies wird durch folgende Gleichung (1) ausgedrückt.
Die Abtastperiode T ist auf 1/4 der Periode der Grundfrequenz f&sub0; des Wechselstromes festgelegt, d.h. das Zeitintervall entspricht einem elektrischen Winkel von 90º. Wenn die Frequenz f ist, wird die Abtastperiode T durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt.
Falls die Frequenz des Wechselstromes f = f&sub0; = 50 Hz ist, wird die Abtastperiode T = 90º.
Da das elektrische Spannungssystem im allgemeinen bei der Nennfrequenz f&sub0; arbeitet, wird die Gleichung (1) Fn = I, und die Amplitudenwertoperation des Stromes wird möglich, und dies wird beispielsweise in einem AC-Überstrom-Schutzrelais, einer Steuervorrichtung o.dgl. verwendet. Für ein Schutzrelais zur Erfassung von Fehlern im elektrischen Energieübertragungssytem und für eine Steuervorrichtung zur Erfassung einer elektrischen Größe zur Steuerung der Betriebsanlagen muß jedoch, da die Frequenz des elektrischen Energieübertragungssystems häufig gegenüber f&sub0; variiert, der Amplitudenwert genau geschätzt werden, sogar wenn sich die Frequenz leicht verschiebt. In gewöhnlichen Fällen muß der Amplitudenwertfehler soweit wie möglich auf die Veränderung der Frequenz von etwa ± 5% reduziert werden.
Falls die Frequenz zu f = 52,5 Hz (5% Anstieg gegenüber 50 Hz) wird, wird die Abtastperiode T = 94,5º und durch Einsetzen dieses Wertes in die Gleichung (1) wird Fn zu
Fn = I{1 - 0.0062cos(2θ - 189º)}1/2 ... (3)
so daß der Schwingungswellenverlauf der doppelten Frequenz vom konstanten Wert überlagert wird. Da cos(2θ - 189º) im Bereich von + 1,0 bis - 1,0 variiert werden kann, wird Gleichung (III) zu
Fn = 0.997 I to 1.003 I ... (4)
wodurch ein Fehler von - 3,0% bis + 0,3% im Vergleich zur Amplitudenwertoperation im Fall der Nennfrequenz von 50 Hz erzeugt wird.
Da das Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen beim Stand der Technik in jedem Operationsschritt gemäß zuvor gegebener Beschreibung durchgeführt wird und die Amplitudenwertoperation ausführt, existiert das Problem, daß der Amplitudenschätzoperationsfehler relativ groß ist, wenn die Frequenz um ± 5% variiert.

ABRISS DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen zu schaffen, bei dem nur zwei Abtastwerte gegenüber dem Stand der Technik erhöht werden, wodurch der Amplitudenschätzoperationsfehler reduziert werden kann, sogar wenn die Frequenz variiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen zu schaffen, wobei kleine Abtastwerte verwendet werden, indem nur zwei Werte im Vergleich zum Stand der Technik erhöht werden, und der komplizierte Operationsverarbeitungsschritt nicht erforderlich ist und dadurch eine Hochgeschwindigkeitsoperationsverarbeitung möglich wird.
Die zuvor angegebenen und weitere Aufgaben und neue Merkmale der Erfindung werden vollständig deutlich von der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Es sei ausdrücklich erwähnt, daß gleichwohl die Zeichnungen nur zum Zwecke der Darstellung gegeben sind und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung beabsichtigt sind.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen werden fünf Abtastwerte verwendet, und von den ersten bis fünften Abtastwerten wird jeweils das Quadrat gebildet, und gleichzeitig werden die Quadratwerte der zweiten und vierten Abtastwerte mit vier multipliziert und wird der Quadratwert des dritten Abtastwertes mit sechs multipliziert, und anschließend erhält man die Gesamtsumme dieser Werte bei jeder Operationsverarbeitung, wodurch der Amplitudenwert verarbeitet wird.
Demnach werden bei der Amplitudenwertoperation des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachweis elektrischer Größen bis mindestens fünf Abtastwerte verwendet, und das Operationsergebnis kann man mit hoher Geschwindigkeit erhalten, und, sogar falls die Frequenz variiert, kann die Operation mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, wodurch die Leistung eines digitalen Schutzrelais oder einer Steuervorrichtung erheblich verbessert werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist ein Blockschaltbild, das ein Amplitudenschätzverfahren des Standes der Technik darstellt;
Figur 2 ist ein Blockschaltbild, das das Prinzip eines Amptlitudenschätzverfahrens nach einer Ausführung der Erfindung darstellt;
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Frequenzeigenschaften des Amplitudenschätzoperationsergebnisses zeigt, das man durch ein Operationsverfahren nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung erhält; und
Figur 4 ist ein Blockschaltbild, das den Hardware-Aufbau eines Detektors für elektrische Größen zeigt, um das Verfahren der Erfindung zu realisieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun für den Fall des Abtastens des Stromes in einem elektrischen Energieübertragungssystem unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
In Figur 2 sind die Abtastwerte 1 bis 5 in der Zeit t - nT (n = 0, 1, 2, 3, 4) außer der gegenwärtigen Abtastzeit t durch die vorgeschriebene Abtastzahl n i(0), i(T), i(2T), i(3T), i(4T), und von den entsprechenden Abtastwerten 1 bis 5 wird das Quadrat in Quadrierungsschritten 6 bis 10 gebildet, und die Ergebnisse in den Quadrierungsschritten 7 und 9 von diesen Schritten werden mit vier in Vierfachoperationsschritten 11 und 13 multipliziert, und das Ergebnis im Quadrierungsschritt 8 wird mit sechs in einem Sechsfachoperationsschritt 12 multipliziert.
Die in den Quadrierungsschritten 6 und 10 und den Vierfachoperationsschritten 11 und 13 und dem Sechsfachoperationsschritt 12 erhaltenen Ergebnisse werden im Additionsoperationsschritt 14 addiert, wodurch man die Gesamtsumme erhält.
Die Gesamtsumme wird durch acht in einem Divisionsschritt 15 dividiert, und ihre Quadratwurzel wird im Radizieroperationsschritt 16 ermittelt. Das Ergebnis erhält man als Amplitudenwertausgangssignal in einem Anschluß 17.
Dies wird durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt, und außerdem durch Ersetzen des Abtastaugenblickswertes und Transformation der Gleichung (5) erhält man folgende Gleichung (6).
Falls die Frequenz f = 52,5 Hz (5% Anstieg gegenüber 50 Hz) wird, wird die Abtastperiode zu T = 94.5º, und nach Einsetzen dieses Wertes in die Gleichung (6) wird Fn zu
Fn = I[1 - cos&sup4;(94.5º) cos(2θ - 2 x 94.5º)]1/2
= I[1 - 3.79 x 10&supmin;&sup5; cos(2θ - 189º)]1/2... (7)
so daß der Schwingungswellenverlauf der Amplitude 3,79 x 10&supmin;&sup5; I ist und die doppelte Frequenz mit I überlagert wird. Da cos(2θ - 189º) im Bereich von ±1,0 bis - 1,0 verändert werden kann, folgt
Fn = 0.99998 I to 1.00002 I ... (8)
wodurch ein Fehler von - 0,002% bis + 0,002% entsteht und sehr klein im Vergleich zur Amplitudenwertoperation im Fall der Nennfrequenz von 50 Hz ist.
Ein digitales Schutzrelais vergleicht das somit erhaltene Amplitudenschätzoperationsergebnis Fn mit einem vorgegebenen Wert (auch Sollwert genannt) im Betrag durch eine Vergleichseinrichtung, welche nicht dargestellt ist, und ermittelt einen Fehler des elektrischen Energieübertragungssystems, und eine Steuervorrichtung verwendet das erhaltene Fn bei der Schaltsteuerung eines statischen Kondensators o.dgl., welcher nicht gezeigt ist.
Obwohl das Ausgangssignal des Additionsschrittes 14 im Divisionsschritt 15 und im Radizierschritt 16 nach der zuvor erfolgten Beschreibung verarbeitet wird, können, falls ein Setzen auf den Quadratwert des vorgegebenen Wertes (Sollwertes) des digitalen Schutzrelais oder der Steuervorrichtung ausgeführt wird, der Radizierschritt 16 entfallen, und, falls das Setzen ausgeführt wird, um abzuschätzen, daß der vorgegebene Wert (Sollwert) quadriert und mit acht multipliziert wird, der Divisionsschritt 15 und der Radizierschritt 16 entfallen. Obwohl die Ausgangssignale der Quadrierungsschritte 7, 9 mit vier in den Vierfachoperationsschritten 11, 12 jeweils multipliziert werden, kann man ebenfalls in dem Ausführungsbeispiel ein ähnliches Resultat natürlich auch durch eine bekannte Änderung der Operationsregel erhalten, so daß die Summe der Quadrierungsschritte 7, 9 ermittelt und mit vier multipliziert wird, und dies ist in der Erfindung enthalten.
Ein Änderungszustand des Amplitudenschätzoperationsergebnisses Fn für den Fall der Änderung der Frequenz wird nun anhand von Figur 3 beschrieben.
Falls das Verhältnis der Frequenz f nach der Änderung und der Nennfrequenz f&sub0; durch m = f/f&sub0; repräsentiert wird, erhält man aus Gleichung (2) und Gleichung (6) folgende Gleichung (9)
Fn = I[1 - cos&sup4;(T) cos(2θ - 2T)]1/2
= I[1 - cos&sup4;(90º m) cos(2θ - 2 x 90º m)]1/2 ... (9)
Falls sich n in Gleichung (9) ändert, wie in der Figur gezeigt ist, kann man den in Figur 3 schraffierten Bereich erhalten, und man sieht, daß die Änderung des Wertes in der Nähe von m = 1 (f = f&sub0;) gering wird, und ein Fehler des Amplitudenschätzoperationsergebnisses minimal wird.
Wenn die Gleichung (1) im Stand der Technik unter Verwendung von m ausgedrückt wird, erhält man auch die folgende Gleichung (10), die durch die gestrichelte Linie in Figur 3 gezeigt ist. Es ist deutlich zu sehen, daß ein Fehler bei der erfindungsgemäßen Operationsverarbeitung gering wird.
Fn = I[1 - cos²(90º m) cos(2θ - 2 x 90º m)]1/2 ... (10)
Da die Abtastwerte, die bei der den Abtastwert enthaltenden Amplitudenwertoperation in einer vorgegebenen Zeit verwendet werden, durch fünf Abtastwerte realisiert werden können, kann man das Ergebnis in der Zeit erhalten, die 90º x 5 = 450º entspricht, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsoperation in einem sich kaum ändernden Zustand im Vergleich zum Stand der Technik realisiert werden kann, und ebenfalls kann der für die Berechnung benötigte Speicherplatz in einem sich kaum ändernden Zustand realisiert werden.
Figur 4 ist ein Schaltbild des Hardware-Aufbaus eines Detektors 31 zum Nachweis elektrischer Größen, welcher die Amplitudenwertoperation realisiert. In Figur 4 bezeichnen das Bezugszeichen 18 einen Spannungswandler, das Bezugszeichen 19 einen Stromwandler, die Bezugszeichen 20, 21 Eingangswandler, die die Spannung und den Strom des elektrischen Energieübertragungssystems in leicht zu verarbeitende Werte umwandelt, und die Bezugszeichen 22, 23 Filter, die in bekannter Weise Frequenzen von der Hälfte der Abtastfrequenz oder höher unter den in der Spannung und im Strom enthaltenen Oberwellen beseitigen. Die Bezugszeichen 24, 25 bezeichnen Sample- Hold-Schaltungen, die die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastperiode halten. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Multiplexer, der die Ausgangssignale der Sample- Hold-Schaltungen 24, 25 in Folge ändert und sie an einen A-D-Wandler 27 übermittelt. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet einen Mikroprozessor, der eine Operation unter Verwendung eines zuvor in einem Speicher 29 gespeicherten Programms ausführt und das Ergebnis an eine Ausgabeschaltung 30 ausgibt. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet einen Detektor zum Nachweis elektrischer Größen.
Obwohl die Beschreibung für den Fall der Ermittlung des Amplitudenwertes eines Wechselstromes erfolgt ist, kann man in der Ausführung einen ähnlichen Effekt auch dann erhalten, wenn der Wechselstrom ein Phasenstrom, ein Leitungsstrom des elektrischen Energieübertragungssystems oder eine symmetrische Komponente, erhalten aus dem Phasenstrom und dem Leiterstrom, d.h. ein Folgestrom der positiven Phase, ein Folgestrom der negativen Phase oder ein Nullphasenfolgestrom außerdem im Fall einer Wechselspannung ist. Falls Gleichung (5) als allgemeine Formel mit diesen Größen ausgedrückt wird, wird der Amplitudenwert Y zu
Y = [1/8 [y(0)² + 4 {y(T)² + y(3T)²} +6 y(2T)² + y(4T)²]]1/2
Wie zuvor beschrieben wurde, werden gemäß dem Verfahren der Erfindung zum Nachweis elektrischer Größen fünf Abtastwerte kontinuerlich verwendet, und von jedem Abtastwert wird ein Quadrat gebildet, und die zweiten und vierten quadrierten Werte werden mit vier und der dritte quadrierte Wert wird mit sechs multipliziert, und man erhält die Gesamtsumme. Da der Amplitudenwert durch jede Operationsverarbeitung betrieben wird, sogar wenn die Frequenzeigenschaften der elektrischen AC-Größe um ± 5% variieren, kann der Amplitudenwert mit guter Genauigkeit betrieben werden, und das Betriebsergebnis kann man bei hoher Geschwindigkeit erhalten.

Claims

1. Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen mit:

einem Schritt zum Abtasten einer elektrischen AC-Größe in einem elektrischen System bei einer Periode T, die 1/4 der Periode bei der Nennfrequenz der elektrischen AC-Größe beträgt, und zum Erhalt der abgetasteten Werte;

einem Analog/Digital-Wandlungsschritt zur Umwandlung der abgetasteten Werte von Analogwerten in Digitalwerte; und

einem Operationsverarbeitungsschritt zur Durchführung einer Operationsverarbeitung auf der Grundlage der abgetasteten, der Digitalwandlung unterworfenen Werte gemäß einer zuvor programmierten Prozedur und zur Ermittlung des Amplitudenwertes der elektrischen Größe des elektrischen Spannungssystems,

wobei aus den abgetasteten Werten y(t), y(t - T), y(t - 2T), y(t - 3T), y(t - 4T), die man im Abtastschritt zu den Zeiten t - nT (n = 0, 1, 2, 3, 4), ausgenommen die augenblickliche Abtastzeit t, durch die vorgeschriebene Abtastzahl n der Perioden T erhalten hat, die Operationsverarbeitung im Operationsverarbeitungsschritt in einer Operationsprozedur auf der Grundlage der folgenden Gleichung

Y = [1/8 [y(0)² + 4 {y(T)² + y(3T)²} + 6 y(2T)² + y(4T)²]]1/2

durchgeführt und der Amplitudenwert der elektrischen AC- Größe ermittelt wird.

2. Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische AC-Größe im elektrischen System der Wert eines Phasenstromes oder eines Leitungsstromes des elektrischen Spannungssystems oder der entsprechende Strom einer positiven Phase, einer negativen Phase oder einer Nullphase, den man aus dem Phasenstrom und dem Leitungsstrom erhält, ist.

3. Verfahren zum Nachweis elektrischer Größen nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische AC-Größe im elektrischen System ein Wert einer Phasenspannung oder Leitungsspannung des elektrischen Spannungssystems oder eine entsprechende Spannung der positiven Phase, der negativen Phase oder der Nullphase, die man aus der Phasenspannung und der Leitungsspannung erhält, ist.