DE2800067A1

DE2800067A1 - Geraet zur ueberwachung von netz-unterfrequenz-stroemen

Info

Publication number: DE2800067A1
Application number: DE19782800067
Authority: DE
Inventors: Shan Chyi Sun
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-01-06
Filing date: 1978-01-02
Publication date: 1978-07-20
Also published as: AU3213778A; MX144248A; BR7800018A; YU40502B; JPS5627057B2; IT1104439B; IN149274B; FR2377108B1; AU515422B2; SE7714957L; ES465823A1; SE438579B; GB1599131A; US4125884A; YU1278A; IT7841503A0; FR2377108A1; AR213989A1; JPS5385352A

Description

Patentanwalt Schadowplatz 9, 4000 Düsseldorf 1

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh/ Pa./ V. St. Ά.

Gerät zur Überwachung von Netz-Unterfrequenz-Ströinen

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Überwachung von Netz-Unter frequenz-Strömen, die in einem elektrischen Leistungssystem fließen, das eine Spannung aufweist, die mit einer synchronen Leistungsgeneratorfrequenz erzeugt wird.

In diesem Zusammenhang sei auf die U.S. Patentanmeldung 757,178 vom 6. Januar 1977 der Anmelderin verwiesen.

Das Vorhandensein von asynchronen Oszillationen, d.h. Schwingungen bei Frequenzen, die nicht mit der normalen Frequenz des Generators übereinstimmen, sind bei Leistungssystemen und bei in Serie kompensierten Übertragungsleitungen seit Jahren bekannt. Asynchrone Oszillationen treten infolge von Wechselwirkungen oder Resonanzen der kapazitiven und induktiven Komponenten bei impulsförmigen Ereignissen auf, wie beispielsweise bei Schaltlichtbogen, Fehlerauslösungen und beim Löschen. Gewöhnlich werden die Schwingungen schnell durch die Widerstandsverluste des Systems gedämpft und die natürlichen oder resonanten Frequenzen schlagen sich nicht in anderen Resonanzreaktionen an anderen Stellen des Systems nieder.

Weil jedoch Serienkondensatorkompensationsverfahren zur Opti-

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mierung der Übertragungseigenschaften von langen Hochspannungsund Ultrahochspannungsleitungen immer mehr angewendet werden, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß die natürlichen Frequeneen der asynchronen Oszillationen unterhalb der 60 Hz (oder auch 50 Hz) Synchronfrequenz des Systems abfallen. Wenn dies auftritt, können mechanische Resonanzerscheinungen in der Generatorausrüstung über die Statorwicklungen ausgelöst werden.

Wenn erst einmal eine elektrisch ausgelöste mechanische Schwingung auftritt, können gleichbleibende oder wachsende Oszillationen in ähnlicher Weise erwartet werden, wie sie bei einem positiv rückgekoppelten System auftreten. Dieser Effekt könnte zu einer schließlichen Fehlerfunktion oder sogar zu einer Zerstörung der Generatorausrüstung führen. Kürzlich wurde über Generatorschäden und Generatorversagen berichtet, die durch untersynchrone Oszillationen verursacht wurden.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gerät zur Erkennung und Überwachung von untersynchronen Oszillationen zu schaffen ,die in der Gebrauchsindustrie zu einem kritischen Problem geworden sind.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, besteht also aus einem Gerät zur Schaffung eines Signals aufgrund von untersynchronen Strömen, die in einem elektrischen Leistungssystem fließen, das eine Spannung aufweist, welche mit einer synchronen Generatorleistungsfrequenz erzeugt wird. Das Gerät besteht aus ersten Einrichtungen zur Lieferung eines ersten Signals konstanter Amplitude mit einer Frequenz, die auf die Synchronfrequenz reagiert, zweiten Einrichtungen, die ein zweites Signal liefern aufgrund eines in dem Leistungssystem fließenden Stromes, der zusätzlich zu der Komponente mit normaler Synchronfrequenz noch eine Komponente mit subsynchroner Frequenz umfaßt, dritten Einrichtungen zur Verarbeitung des ersten und des zweiten Signals zur Lieferung eines dritten Signals, das eine erste, zweite und dritte Komponente aufweist,

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deren Frequenzen gleich sind zu (a) dem doppelten der Synchronfrequenz, (b) der Summe der synchronen und der untersynchronen Frequenz und (c) der Differenz zwischen der synchronen und untersynchronen Frequenz, sowie vierten Einrichtungen, die das dritte Signal in der Weise verarbeiten, daß sie deren erste und zweite Komponenten entfernen und aufgrund der dritten Komponente ein viertes Signal liefern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 Ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Gerätes, in dem die untersynchronen Komponenten identifiziert und isoliert werden;

Fig. 2 Ein Schaltkreisdiagramm, durch das die in Fig. 1 in Blockdiagrammform gezeigte Einrichtung praktisch ausgeführt ist.

Es wird ein Gerät dargestellt, mit dem die Anwesenheit von untersynchronen Stromkomponenten in einem Leistungsgeneratorsystem oder in einem Übertragungssystem ermittelt werden kann. Das Gerät umfaßt einen Schaltkreis zur Erzeugung von Signalen, die für die Leitungsspannung und den Leitungsstrom repräsentativ sind. Diese Eingangssignale werden von dem Schaltkreis derart verarbeitet, daß Rauschen hoher Frequenz unterdrückt wird.

Das Eingangsspannungssignal wird weiterhin noch so behandelt, daß ein Bezugssinussignal konstanter Amplitude erzeugt wird, das dann von einem analogen Multiplikator mit dem behandelten Eingangsstromsignal multipliziert wird, um ein Signal zu schaffen, das repräsentativ ist für die untersynchronen Stromkomponenten, falls solche vorhanden sind.

Ein Überspannungsschutz sowie ein überstromschutz werden eben-

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£alls vorgesehen, um das Überwachungsgerät zu schützen. Zusätzlich wird das Bezugssinussignal wechselstrommäßig mit einem Multiplikator verkoppelt, wodurch eine Trimmung mittels weiterer Konditionierungsschaltungen vermieden wird, in welcher das Bezugssinussignal erzeugt wird.

Ein funktionelles Blockdiagramm eines Gerätes, das für eine einphasige untersynchrone Stromüberwachung anwendbar ist, ist in Fig. 1 dargestellt. Selbstverständlich kann das dargestellte Gerät sowie das dazugehörige Verfahren auch zur Überwachung von untersynchronen Strömen von dreiphasigen Systemen verwendet werden.

Die Leitungsspannung, die gewöhnlich sehr geringe asynchrone Bestandteile enthält, wird als ein Bezugseingang für den synchronen Überwachungsschaltkreis 8 verwendet. Die Leitungsspannung wird auf einen Arbeitspegel herabgebracht, der mit den Komponenten kompatibel ist, die angewendet werden, um die synchrone Überwachungsschaltung 8 zum Arbeiten zu bringen, wobei entweder ein abwärtsteilender Transformator oder ein geeigneter Spannungsteiler (nicht dargestellt) verwendet werden kann. Der Signalkonditionierungs- und Schutzschaltkreis 10 entfernt hochfrequentes Rauschen und liefert einen geeigneten Überspannungsschutz für den Synchron-überwachungsschaltkreis 8.

Der Begrenzerkreis 12 tranformiert die sinusförmige Leitungsspannung in eine Rechteckspannung von gleicher Frequenz, jedoch mit genau definierter Amplitude. Dies wird durch eine Verstärkung mit hohem Verstärkungsgrad sowie mit Präzisionsamplitudenbegrenzungseinrichtungen erreicht. Der Filterschaltkreis 14, der dem Begrenzerschaltkreis 12 folgt, nimmt als Eingang die Spannung V auf und entfernt die harmonischen Bestandteile der quadratischen Welle, um eine Sinusspannung konstanter Amplitude und einer Frequenz von 60 oder auch 50 Hz zu erzeugen, die gegenüber Spannungsfluktuationen der Leitungsspannung unempfindlich ist.

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Das LeitungsStromsignal, in dem untersynchrone Bestandteile enthalten sind, wird über einen Stromtransformator-Nebenschlußschaltkreis 18 oder durch andere equivalente Einrichtungen erhalten. Nachdem das Leitungsstromsignal erhalten wurde, wird es dem Signalkonditionierungs- und überstromschutzschaltkreis 20 zugeführt. Dieser Schaltkreis 20 ist ähnlich dem Signalkonditionierungs- und Überspannungsschutzschaltkreis 10, da er ebenfalls hochfrequentes Rauschen unterdrückt. Er liefert auch einen Überstromschutz für den Synchron-überwachungskreis 8.

Die konditionierte, gefilterte Ausgangsspannung V des Filterschaltkreises 14 sowie das konditionierte Stromsignal I* (ausgedrückt in Form einer Spannung) des Signalkonditionierungs- und Überstromschutzschaltkreises 20 werden einem Synchron-Modulatorschaltkreis 16 zugeführt. Dieser Schaltkreis nimmt die konditionierten Spannungs- und Stromsignale auf und führt an ihnen eine Multiplikationsfunktion durch, die zu einem Ergebnis führt, das am besten mathematisch ausgedrückt werden kann, siehe weiter unten. Es sei angenommen, daß die Leitungsspannung und der Leitungsstrom nach der Konditionierung mathematisch durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden kann: V = V sin^'ot (1)

I=I sin (vu t + Θ) + I sin ^t (2)

ρ O SS

wobei V und I die Spitzenwerte der Leitungsspannung und des Leitungsstromes bei normaler Leitungsfrequenz (w ) sind und ω = die normale Leitungsfrequenz (z.B. 60 Hz) darstellt, ausgedrückt in rad./see.,

^ = die unter synchrone Frequenz, ausgedrückt in rad./see, I = Spitzwert des untersynchronen Stroms und θ = Phasenwinkel zwischen Leitunsspannung und Leitungsstrom bei normaler Leitungsfrequenz.

Somit wird das am Ausgang des synchronen Modulatorschaltkreises 16 erhaltene Signal das folgende sein:

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VxI= (V I /2) Ccos O - cos (2uJ_Qt + G)J +

(V I /2) [cos («/ -α> ) - cos (^ +u;) tj(3)

Aus einer Analyse der Gleichung 3 ergibt sich, daß die Funktion des synchronen ModulatorSchaltkreises 16 darin besteht, durch die Multiplikation die Frequenz u» zu eliminieren. Somit erzeugt die Multiplikation des konditionierten Leitungsspannungssignals mit dem konditionierten LeitungsStromsignal einen Ausdruck doppelter Frequenz, 2u; , sowie zwei Ausdrücke für Schwebungs frequenz en, nämlich (u< - u, ) und (w + »*/ ) . Infolgedes-

OS OS

sen ist die Frequenztrennung zwischen dem Ausdruck mit doppelter Frequenz, 2w , und dem Ausdruck mit der Schwebungsfrequenz (u> - <jj ) viel größer, als die Differenz zwischen den Frequen-

O S

zen^o und w . Infolgedessen ist die Filteranordnung zur Trennung der Erequenz (w - aj ) von 2i^ wesentlich einfacher auf-

OS O

zubauen, als eine Konstruktion, mit der«; von ^ getrennt werden könnte.

Die Dämpfung für den Schwebungs frequenz anteil ( c-u + \V) wird

O S

automatisch durch den Bandpaßfilterschaltkreis 22 durchgeführt, der auch dazu dient, den Bestandteil 2tv zu dämpfen, da die Frequenz (io + <^ ) zwischen den Frequenzen 2uo und (wo -v>) liegt und die Amplitude des Terms (te +uj ) genau die gleiche

* OS

ist, wie die Amplitude des Terms (t*f - co ) . In der Praxis ist

O S

der Phasenwinkel Θ· entweder ein fester Ausdruck oder ein Ausdruck, der sich sehr langsam ändert.

Obwohl der Ausdruck für die Schwebungsfrequenz (uo -u/) nicht

O 5

direkt den Wert für die Frequenz U/_ liefert, identifiziert eine geringfügige Interpretation den genauen Wert für w , da ι*/ sehr genau definiert ist. Da außerdem der Ausdruck V eine Konstante darstellt, folgt der Ausdruck (V I) präzise dem Am-

P ^s plitudenverhalten des untersynchronen Bestandteils. Somit ist ein Bandpaßfilterschaltkreis 22 von einfachem Aufbau in der Lage, an seinem Ausgang die gemessenen untersynchronen Bestandteile zu liefern.

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Es ist zu erkennen, daß ein alternativer Lösungsweg darin liegen würde, den Ausdruck I sin (w^t+θ) in Gleichung (2) dadurch bei einem Meßgerät für Unterfrequenzen außer Betracht zu lassen, daß ein in geeigneter Weise konstruierter Filter vorgesehen wird. Jedoch hat ein derartiger Lösungsweg schwerwiegende Nachteile. Der wichtigste Nachteil ist die durch die Anwendung eines derartigen Filters erzeugte Zeitverzögerung, die ein korrigierendes Handeln auf ein ermitteltes untersynchrones Stromsignal verhindern könnte. Außerdem führt die Anwendung eines derartigen Filters zu unnötigen zusätzlichen Kosten und macht die endgültige Konstruktion verhältnismäßig kompliziert.

Eine praktische Ausführung des in Fig. 1 nur diagrammartig dargestellten Gerätes ist in Fig. 2 wiedergegeben. Das Leitungsspannungssignal z.B. mit einer Frequenz von 60 Hz) wird in einen Begrenzerschaltkreis 12 eingegeben, wo ein Operationsverstärker A- in geeigneter Weise angeschlossen ist, um ein quadratisches Spannungssignal mit einer Grundfrequenz von 60 Hz zu liefern. Der Signalkonditionierungs- und Überspannungsschutzschaltkreis 10 ist dann zwischen dem Spannungseingangsanschluß 24 und dem Begrenzerschaltkreis 12 angeordnet. Der Schaltkreis enthält einen Zenerdioden-Überspannungsschaltkreis 26 sowie ein Filternetzwerk 28, um einen Schutz gegen Leitungsüberspannungen zu erreichen und um hochfrequentes Rauschen zu entfernen.

Der Quadratwellenausgang des Begrenzerschaltkreises 12 wird dann durch einen Tiefpaßfilterschaltkreis 14 fünfter Ordnung und aktiver Ausgestaltung gefiltert, welcher Filterschaltkreis auch die Verstärker A₂ und A₃ umfaßt und ein Bezugssinussignal konstanter Amplitude mit einer Frequenz von 60 Hz zur Anwendung als Synchronmodulation liefert. Die -3db-Frequenz des Tiefpaßfilter Schaltkreises 14 liegt bei etwa 60 Hz. Das Bezugssinussignal wird mit geeigneter Amplitude an den Synchronmodulatorschaltkreis 16 wechselstrommäßig angekoppelt, und zwar durch einen Wechselstromkopplungsschaltkreis 13, der es unnötig macht, eine durch den Begrenzer- bzw. Filterschaltkreis 12, 14 erzeugte Gleich-

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Spannungsverschiebung zu kompensieren.

Das Stromeingangssignal wird über den Stromtransformatornebenschlußschaltkreis 18 erlangt und von dort dem Signalkonditionierungs- und Überstromschutzschaltkreis 20 zugeführt. Der Schaltkreis 20 umfaßt einen Zenerdiodenschaltkreis 30 zum Zwecke des ÜberStromschutzes sowie ein Tiefpaßfilter dritter Ordnung, einschließlich einem Verstärker A., um hochfrequentes Rauschen und ungewünschte Stromkomponenten zu unterdrücken. Das Stromsignal wird von dem Stromtransformatornebenschlußschaltkreis 18 abgeleitet, der so ausgeführt ist, daß er - gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform - eine Spitzenspannung von 1,5 V für jede Einheit des Leitungsstromes liefert.

Die konditionierten Eingangssignale V und I werden dann dem synchronen Modulatorschaltkreis 16 zugeführt, wo sie in der oben beschriebenen Weise miteinander multipliziert werden. Die Funktion der Multiplikation wird mit Hilfe eines Präzisionsanalogmultiplikators M₁ durchgeführt, beispielsweise mittels des von der Firma Intronix Corporation hergestellten Multiplikators der Serie M310. Der Multiplikator M₁ benutzt das Prinzip der Impulsbreiten-Impulshöhen-Multiplikation, das gute Genauigkeit und niedriges Abdriften bietet. Da der Multiplikator M₁ einen internen Eichfaktor von 10:1 aufweist, mit einem Bezugssinussignal von 10 V Spitze zu Spitze, liegt der verarbeitete untersynchrone Strom (SSC) in der Form von L(VI /2) cos (UA - <*J_a)tl, vor, wobei VI der Spitzenwert des SSC in Form einer Spannung vorliegt, bezogen auf den Eingang des Multiplikators M₁.

Der Bandpaßfilterschaltkreis 22 ist von einer modifizierten Butterworth-Bauart mit einem Tiefpaßabschnitt dreizehnter Ordnung und einem Hochpaßabschnitt vierter Ordnung. Der Filter umfaßt die Verstärker A₅, A_g A₇, Ag, A_g, A_1Q und A₁₁, die in geeigneter Weise miteinander verbunden sind, um die Untersynchronbestandteile zu liefern. Der Filterschaltkreis 22 wird charakterisiert durch eine ebene Bandpaßkennlinie, die von 15 bis 45

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ORIGINAL INSPECTED

Hzreicht, mit 80 dB Dämpfung bei 1 Hz und 78 dB Dämpfung bei 120 Hz. Die Antwortzeit für eine Sprungfunktion am Eingang beträgt etwa 26 ms. Die Ausgangsstufe des Filterschaltkreises 22, Verstärker A₁₁ und seine Stützelemente, besitzt eine eingebaute Spannungsverstärkung von vier, die das gemessene Untersynchronstromsignal (iA/ "ί/^) auf einen Pegel von 3 V Spitze

ο s

zu Spitze bringt. Dies entspricht einer Einheit des Leitungsstromes. Der Tiefpaßabschnitt des Filterschaltkreises 22 dient dazu, die Bestandteile 2w und (^+"-Ü aus dem resultierenden Ausgang des Synchronmodulatorschaltkreises 16 zu entfernen, während der Hochpaßabschnitt zur Entfernung des Ausdrucks θ dient. Somit wird lediglich der Ausdruck (to - u; ) in geeigne-

O S

ter Eichung vom Filterschaltkreis 22 abgegeben. Es sollte bemerkt werden, daß die Verstärker A₁ bis A₁₁ jeweils aus der einen Hälfte eines dualen Operatiousverstarkers vom Typ// A747 oder eines equivalenten Typs bestehen, welcher unter dieser Bezeichnung iir Handel erhältlich ist.

E S/ab

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Claims

t)r.-Ing. Ernst Stratmann

Patentanwalt
Schadowplatz 9, 4000 Düsseldorf 1

Düsseldorf, 30. Dez. 1977

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

P a t e η t a η s ρ r ü c h e;

Λ j Gerät zur Überwachung von Netz-Unterfrequenz-Strcmen in einem elektrischen Leistungssystem mit einer Spannung von synchroner Leistungsgeneratorfrequenz, gekennzeichnet durch erste Einrichtungen (10,12) zur Lieferung eines ersten Signals (V) konstanter Amplitude mit einer Frequenz, die auf die Synchronfrequenz reagiert, zweite Einrichtungen (20) zur Schaffung eines zweiten Signals (I), das auf den in dem Leistungssystem fließenden Strom reagiert, welcher eine untersynchrone Komponente zusätzlich zu dennormalen synchronen Komponenten aufweist, dritte Einrichtungen (16) zur Verarbeitung des ersten und des zweiten Signals zur Schaffung eines dritten Signals (VxI), das eine erste, eine zweite und eine dritte Komponente aufweist, deren Frequenzen gleich dem (a) zweifachen der Synchronfrequenz, (b) gleich der Summe von Synchronfrequenz und Untersynchronfrequenz bzw. (c) gleich der Differenz zwischen der Synchronfrequenz und der Untersynchronfrequenz sind, und durch vierte Einrichtungen (22) zur Verarbeitung des dritten Signals zur Entfernung der ersten und zweiten Komponenten und zur Schaffung eines vierten Signals, das auf die dritte Komponente reagiert.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das

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erste Signal ein Sinussignal konstanter Amplitude ist, und daß die ersten Einrichtungen das erste Signal dadurch liefern, daß Begrenzungseinrichtungen (26) vorgesehen werden, die auf eine Leitungsspannung des elektrischen Leistungssystems reagieren, um ein Quadratwellensignal konstanter Amplitude zu liefern, sowie Filtereinrichtungen (28) zur Unterdrückung der Harmonischen,welche das Quadratwellensignal derart bearbeiten, daß ein Sinussignal konstanter Amplitude geschaffen wird.
3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen (13) für die Wechselstromkopplung des ersten Signals an die dritte Einrichtung (16), um irgendwelche Gleichstromkomponente zu entfernen.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Einrichtungen (22) eine Tiefpaßfiltereinrichtung umfassen, die so ausgewählt ist, daß sie die verhältnismäßig niedrig-frequente dritte Komponente des dritten Signals durchlassen, während die höher-frequente erste und zweite Komponente im wesentlichen blockiert wird.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen (1O,12) das erste Signal von einer Leitungsspannung des Leistungssystems ableiten und daß die vierten Einrichtungen (22) Hochpaßfiltereinrichtungen aufweisen, die so ausgewählt sind, daß sie Gleichstromkomponente des dritten Signals blockieren und somit irgendwelche Komponente entfernen, die auf den Phasenwinkel zwischen der Leitungsspannung und dem in dem elektrischen Leistungssystem fließenden Strom reagieren.

■ Besehreibung; 809829/0684