Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Überwachen einer zum
Schutz eines symmetrischen elektrischen Netzwerks dienenden
Schutzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
(JP-52-28 212-B).
Eine weitere bekannte Anordnung zum Überwachen einer zum Schutz eines
elektrischen Netzwerks dienenden Schutzeinrichtung ist in
Fig. 1 dargestellt. Dabei wird eine elektrische Größe, etwa
die Spannung, auf die Primärwicklung des Transformators 13
gegeben und in ein Spannungssignal V′₁ umgesetzt. Dabei ist
der Kontakt 12 a eines Hilfsrelais normalerweise offen und
ein Kontakt 12 b dieses Relais normalerweise geschlossen. Das
Spannungssignal V′₁ wird einem Entscheidungskreis 13 zugeführt,
in welchem das Netz schützende Entscheidungen getroffen
werden. Um zu prüfen, ob im Kreis 13 ein Fehler auftritt,
wird der Kontakt 12 b geöffnet und der Kontakt 12 a geschlossen
und ein Prüfspannungssignal V₂ dem Entscheidungskreis 13
zugeführt, und zwar von einer besonderen Spannungsquelle oder
es wird vom Netz selbst abgeleitet. Durch Verändern der Größe
des Prüfspannungssignals V₂ kann man feststellen, mit welcher
Pegelhöhe der Entscheidungskreis 13 arbeitet.
Netzsysteme werden neuerdings immer umfangreicher und komplizierter,
so daß Schutzrelaiseinrichtungen erforderlich werden, die eine
derart verbesserte Zuverlässigkeit besitzen, daß die Beibehaltung
der Stabilität dieser Netzsysteme gewährleistet ist. Zur Verbesserung
der Arbeitsweise, der Wirksamkeit und der Zuverlässigkeit
der Steuerung und der Messung der Netzsysteme sind bereits
digitale Rechner eingesetzt worden. So wurden digitale Schutzrelaiseinrichtungen
entwickelt, bei denen elektrische Größen des
Netzsystems in Digitalwerte umgesetzt und die digital codierten
Daten dann in Minirechnern oder Mikroprozessoren verarbeitet werden,
um so digitale Entscheidungen zu erhalten. Üblicherweise werden dabei
in die Rechner die Phasenströme, der Nullphasenstrom,
die Phasenspannungen und die Nullphasenspannung eingeführt, damit
das Schutzrelaissystem eine Vielzahl von Schutzfunktionen durchführen
kann. Um jedoch alle diese elektrischen Größen einführen
zu können, muß die Vorrichtung, wie etwa diejenige von Fig. 1,
zu jeder der erfaßten elektrischen Größen eine zugeordnete Testspannung
erhalten. Damit aber wird der Aufbau der Vorrichtung
sehr kompliziert.
Bei der Anordnung zum Überwachen einer digitalen Schutzrelaiseinrichtung
nach der JP-A2-52-1 51 843, die auf der Grundlage
der Formel
|V A + V B + V C | < ε
arbeitet, ist ebenfalls ein Generator zur Erzeugung von Testsignalen
erforderlich, die verschiedene Störfälle simulieren;
der Aufbau der Anordnung wird damit, wie erwähnt, kompliziert.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zum Überwachen
einer zum Schutz eines symmetrischen elektrischen Netzwerks
dienenden Schutzeinrichtung zu schaffen, die vergleichsweise
einfach im Aufbau ist und trotzdem eine hohe Zuverlässigkeit
gewährleistet. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus
den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der
Zeichnungen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das bereits beschriebene Schaltschema einer
üblichen Anordnung,
Fig. 2 ein Schaltschema einer Anordnung nach der
Erfindung,
Fig. 3 ein Schaltschema eines Selektorkreises der
Anordnung von Fig. 2,
Fig. 4A bis 4D Ablaufdiagramme des zeitlichen Betriebsablaufs
der Anordnung von Fig. 2,
Fig. 5 ein Flußdiagramm der Betriebsfolge der Anordnung
von Fig. 2,
Fig. 6 und 7 Schaltdiagramme weiterer Ausführungsformen
der Anordnung,
Fig. 8 ein Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform
eines Selektorkreises,
Fig. 9 ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform
der Anordnung,
Fig. 10 ein Schaltschema des Aufbaus einer in der Anordnung
enthaltenen Multiplexeinheit und
Fig. 11 ein Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform
der Anordnung.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Überwachungseinheit in einem digitalen Schutzrelais. Als elektrische
Eingangsgrößen werden Leitungsspannungen V A (=V RS ), V B (=V ST ) und
V C (=V TR ) sowie die Nullphasen-Spannung V₀ herangezogen. Eingangstransformatoren
11 a , 11 b , 11 c und 11 d setzen die ermittelten Spannungen
V A , V B , V C und V₀ in Spannungen V′ A , V′ B , V′ C und V′₀ eines
für das Relaissystem geeigneten Pegelwertes um.
Ein erster Selektorkreis 14 läßt an seine Ausgangsklemme selektiv
die Spannung V′₀ oder die Spannung V′ C durch. Die Ausgangsspannung
des ersten Selektorkreises 14 ist mit V′ D bezeichnet. Ein
Ausführungsbeispiel des Selektorkreises 14 ist in Fig. 3 dargestellt.
Dabei sind Steuersignale X₁ und X₂ vorhanden, die entgegengesetzten
Binärzustand aufweisen, d. h. wenn eines der Binärsignale
im Zustand "1" ist, dann befindet sich das andere Steuersignal
im Zustand "0". Befindet sich das Steuersignal X₁ im Zustand
"1", dann wird ein Schalter SW₁ geschlossen, so daß V′ D gleich V′ C
ist. Wenn das Steuersignal X₂ sich im Zustand "1" befindet, dann
wird ein Schalter SW₂ geschlossen, so daß V′ D gleich V′₀ ist.
Filter 15 a , 15 b , 15 c und 15 d unterdrücken harmonische Oberschwingungen
der Spannungen V′ A , V′ B , V′ C und V′ D .
Abtast- und Haltekreise 16 a , 16 b , 16 c und 16 d tasten gleichzeitig
in regelmäßigen Intervallen die Ausgänge der Filter 15 a ,
15 b , 15 c und 15 d ab und halten die abgetasteten Daten fest. Die
Ausgänge der Abtast- und Haltekreise 16 a , 16 b , 16 c und 16 d werden
einer Multiplexschaltung 17 zugeführt, welche die Eingangssignale
ineinanderschachtelt, und zwar in der Reihenfolge V′ A ,
V′ B , V′ C und V′ D . Der Ausgang des Multiplexkreises 17 wird einem
Analog-Digital-Umsetzer 18 zugeführt, in welchem das analoge
Multiplexsignal in ein digitales Multiplexsignal
umgesetzt wird. Das digitale Multiplexsignal wird
dann der Datenverarbeitungseinheit 19 zugeführt. Die Einheit 19
nimmt selektiv die erforderlichen Daten auf und verarbeitet diese
nach einem vorgegebenen Programm. Die Zeitabläufe des Betriebs
der Abtast- und Haltekreise 15 a , 15 b , 15 c und 15 d , des Multiplexkreises
17, des Umsetzers 18 und der Verarbeitungseinheit 19 werden
durch einen Zeitregelkreis 20 bestimmt, welcher ein Abtast-
und Haltesignal SH, ein Umsetzungs-Startsignal SC und ein Kanalwählsignal
CH erzeugt. Die Abtast- und Haltekreise tasten dann
Daten ab, wenn sich das Abtast- und Haltesignal SH im Zustand
"0" befindet und halten die Daten solange fest, solange das Abtast-
und Haltesignal SH im Zustand "1" verbleibt (Fig. 4A).
Der Analog-Digital-Umsetzer beginnt dann eine Analog-Digital-
Umsetzung vorzunehmen, wenn das Umsetzungs-Startsignal C vom Zustand
"1" in den Zustand "0" übergeht (Fig. 4B). Der Multiplexkreis
nimmt das Kanalwählsignal CH auf und überträgt dann der
Reihe nach die Ausgänge der Eingangskreise 22 a , 22 b , 22 c und
22 d (Fig. 4C) auf den Analog-Digital-Umsetzer.
Die Datenverarbeitungseinheit 19 nimmt nicht nur eine arithmetische
Verarbeitung zum Zweck des digitalen Schutzes des Netzwerkes vor
sondern auch eine arithmetische Verarbeitung zur Überwachung des
Schutzrelaissystems.
Üblicherweise befindet sich das Steuersignal X₁ im Zustand "0"
(Fig. 4D), und es werden die Eingangskreise 22 a , 22 b und 22 c geprüft.
Die Prüfung kann darin bestehen, daß der Absolutwert der
Summe der drei Phasenspannungen errechnet wird, die in den drei
entsprechenden Eingangskreisen auftreten, also
|V A + V B + V C |
Der resultierende Absolutwert (Betrag) wird mit einer positiven
reellen Zahl ε verglichen. Im Normalzustand ist |V A +V B +V C |
im wesentlichen gleich Null und für ε wird ein Betrag gewählt,
der normalerweise folgender Gleichung genügt:
|V A + V B + V C | < ε (1)
Tritt in keinem der Eingangskreise 22 a , 22 b und 22 c ein Fehler
auf, dann wird Gleichung (1) erfüllt.
Wird Gleichung (1) nicht erfüllt, dann werden die Berechnung und
der Vergleich mehrfach wiederholt, und wenn sich dabei jedesmal
ergibt, daß die Gleichung (1) nicht erfüllt ist, dann kann daraus
der Schluß gezogen werden, daß in einem der Eingangskreise 22 a ,
22 b , 22 c ein Fehler vorhanden ist.
Ist der Schluß gezogen worden, daß ein Fehler existiert, dann betätigt
die Verarbeitungseinheit 19 eine Anzeigeeinheit 21, die dann
ein Warnzeichen abgibt.
Die beschriebene Betriebsweise ist im Flußdiagramm von Fig. 5
dargestellt. In der Stufe 101 werden die Ausgänge der Eingangskreise
22 a , 22 b , 22 c und 22 d aufgenommen. Dann wird in der Stufe
102 die Berechnung des Betrags
|V A + V B + V C |
durchgeführt. Daraufhin wird der berechnete Betrag mit ε in der
Stufe 103 verglichen. Ist dabei Gleichung (1) erfüllt, dann läuft
der Vorgang weiter zu der später beschriebenen Stufe 109 und dann
zur Stufe 104, wo entschieden wird, ob eine Überprüfung des Eingangskreises
22 d durchgeführt werden soll; ist die Antwort "nein",
dann folgt die Stufe 101. Ist jedoch die Antwort "ja", dann wird
ein Steuersignal X₁ in der Stufe 105 erzeugt, und es wird eine
Überprüfung des Eingangskreises 22 d durchgeführt, wie später im
einzelnen beschrieben werden wird.
Stellt sich jedoch in der Stufe 103 heraus, daß die Gleichung (1)
nicht erfüllt ist, dann folgt als nächste Stufe die Stufe 106,
wo festgestellt wird, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
N < P (2)
wobei N die Zahl der aufeinanderfolgenden Fälle mit Antwort "nein"
in der Stufe 103 darstellt und P eine vorgegebene kritische
Zahl ist. Ist die Gleichung (2) nicht erfüllt, so wird der im
Speicher der zentralen Verarbeitungseinheit gespeicherten Zahl
"N" die Zahl 1 hinzugefügt. Der Vorgang geht dann zurück zur
Stufe 101. Ist dann beim nächsten Vorgang die Gleichung (1) wiederum
nicht erfüllt und überschreitet dann als Folge davon die Zahl "N"
die Zahl "P", dann wird die Antwort der Stufe 106 zu "ja", worauf
in der Stufe 108 angezeigt wird, daß in den Eingangskreisen 22 a ,
22 b und 22 c ein Fehler existiert.
Die Stufe 109 dient dazu, das Speichern der Zahl "N" wieder zu
löschen. Tritt also während des Aufzählens der Zahl "N" einmal
der Fall auf, daß die Gleichung (1) erfüllt ist, dann wird im
Speicher die Zahl "N" wieder auf Null zurückgestellt und ein nachfolgendes
Aufzählen der Zahl "N" muß wieder bei Null beginnen.
Ist die Antwort der Stufe 103 "ja", was bedeutet, daß kein Fehler
in den Kreisen 22 a , 22 b , 22 c existiert, und wenn entschieden worden
ist, daß eine Prüfung des Eingangskreises 22 d durchgeführt
werden soll, welcher der Nullphasen-Eingangsspannung V₀ zugeordnet
ist, dann wird das Steuersignal X₁ zu "1" (Stufe 105 in Fig. 5)
und eine Spannung V′ C wird dem Eingangskreis 5′ d anstelle von
V′₀ zugeführt, welcher Wert üblicherweise im wesentlichen Null
ist. Demgemäß wird V′ D zu V′ C . Der Ausgang des Eingangskreises
22 d gelangt dann durch den Multiplexkreis 17 und den Analog-
Digital-Umsetzer 18 zur Datenverarbeitungseinheit. Die Datenverarbeitungseinheit
nimmt die Ausgänge der Eingangskreise 22 a , 22 b ,
22 c und 22 d (Stufe 101) auf und berechnet den Absolutwert der
Summe der Ausgänge der Kreise 22 a , 22 b und 22 d (Stufe 102). Die
übrigen Vorgänge sind die gleichen wie vorbeschrieben, also wenn
die Eingangskreise 22 a , 22 b und 22 c überprüft werden.
Führt die Überprüfung der Ausgänge der Eingangskreise 22 a , 22 b
und 22 d zu dem Ergebnis, daß ein Fehler existiert und zeigt das
Ergebnis der Überprüfung der Ausgänge der drei Eingangskreise
22 a , 22 b , 22 c , daß kein Fehler vorhanden ist, dann ist daraus
der Schluß zu ziehen, daß ein Fehler im Eingangskreis 22 d
existiert.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
ein Schutzrelaissystem überwacht wird, das einen Eingangskreis
22 e für den Nullphasenstrom I₀ besitzt. Der Eingangskreis 22 e
weist einen Filter 15 e auf, ähnlich den vorab erwähnten Filtern
15 a bis 15 d . Außerdem ist ein Abtast- und Haltekreis 16 e vorhanden,
ähnlich den Kreisen 16 a bis 16 d . Der ermittelte Nullphasenstrom
I₀ wird in einem Eingangstransformator 11 e umgesetzt und
dann einem Wählkreis 24 zugeführt, welcher ähnlich dem Wählkreis
14 ist. Der Wählkreis 24 verbindet selektiv I′₀ oder V′ c mit
seinem Ausgang. Der Multiplexkreis 17 schickt der Reihe nach
die Ausgänge der Abtast- und Haltekreise 16 a bis 16 e in die
Datenverarbeitungseinheit. Bei der Überprüfung des Eingangskreises
22 e wird V C dem Eingangskreis zugeführt, und die Einheit
19 verarbeitet die Ausgänge der Eingangskreise 22 a , 22 b und 22 e .
Der übrige Aufbau und die Funktion der einzelnen Elemente entspricht
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei
ist der Wählkreis 14 von Fig. 2 weggelassen und durch einen ähnlichen
Wählkreis 26 ersetzt, welcher die Ausgänge der Filter 15 c
und 15 d aufnimmt; der Ausgang des Kreises 26 wird dem Abtast-
und Haltekreis 16 d zugeführt. In diesem Fall enthält der Eingangskreis
nicht die Filter 15 a bis 15 d . Wenn der Wählkreis 26 den
Ausgang des Filters 16 c mit dem Eingang des Abtast- und Haltekreises
16 d verbindet, dann wird geprüft, ob im Abtast- und Haltekreis
16 d ein Fehler existiert oder nicht. Der übrige Aufbau und
die Betriebsweise der Elemente entspricht dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2.
Bei den voranbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird V C dem Eingangskreis
zugeführt, der normalerweise dem Nullphaseneingang
zugeordnet ist. Anstelle von V C können jedoch auch V A oder V B
verwendet werden. Wird ein normalerweise dem Nullphasenstrom I₀
zugeordneter Eingangskreis überprüft, wie etwa beim Beispiel nach
Fig. 4, dann kann dem Eingangskreis ein Signal zugeführt werden,
welches das Vorhandensein eines Phasenstroms anzeigt.
Die Wählkreise 14, 24 und 26 können beliebige Schaltelemente
aufweisen, etwa elektronische Schalter mit Feldeffekttransistoren.
Die Wählkreise können aber auch magnetische Relais aufweisen, wie
in Fig. 8 gezeigt ist. Dabei wird das Magnetrelais durch ein
Steuersignal X₃ betätigt, um so den der Nullphasenspannung V₀
zugeordneten Eingangskreis zu prüfen. Nach Empfang des Steuersignals
X₃ wird ein ansonsten offener Kontakt 28 a des Relais 28
geschlossen und ein üblicherweise geschlossener Kontakt 28 b geöffnet.
Auf diese Weise kann eine selektive Verbindung von V′₀
oder V′ C mit dem Ausgang des Wählkreises herbeigeführt werden.
Es wurde gesagt, daß die Leitungsspannungen V A , V B und V C ermittelt
werden und daß dann die Datenverarbeitungseinheit feststellt,
ob Gleichung (1) erfüllt ist oder nicht. Anstelle der
Leitungsspannungen können aber auch die Phasenspannungen V R ,
V S und V T ermittelt und der Datenverarbeitungseinheit zugeführt
werden. In diesem Fall stellt dann die Datenverarbeitungseinheit
fest, ob während der Prüfung der mit den Phasenspannungen verbundenen
Eingangskreise die nachfolgende Gleichung (3) erfüllt ist:
|V R + V S + V T -KV₀| < ε′ (3)
wobei K und ε′ vorgegebene Konstanten sind. Zur Prüfung des
der Nullphasenspannung zugeordneten Eingangskreises wird eine Beziehung
ähnlich Gleichung (1) verwendet.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei
diese Ausführungsform derjenigen von Fig. 2 ähnelt, mit der einen
Ausnahme, daß die Abtast- und Haltekreise 16 a , 16 b , 16 c und 16 d
von Fig. 2 durch Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 a , 31 b , 31 c
und 31 d ersetzt sind. Die Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer
setzen die eingegebenen Wechselspannungen V′ A , V′ B , V′ C und V′ D
in Gleichspannungen um, die proportional der Größe der Eingangsspannungen
sind. Die Gleichspannungsausgänge der Wechselstrom-
Gleichstrom-Umsetzer werden einem Multiplexkreis 17 zugeführt und
dessen Ausgang dann dem Analog-Digital-Umsetzer 18.
Fig. 10 zeigt schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Multiplexkreises
17, der in die Einrichtung von Fig. 2 eingesetzt werden
kann. Der Multiplexkreis 17 enthält Schaltkreise 17 a , 17 b ,
17 c und 17 d , die jeweils den Eingangssignalen V′ A , V′ B , V′ C und
V₀ zugeordnet sind. Die Schaltkreise 17 a , 17 b , 17 c und 17 d werden
der Reihe nach geschlossen. Die Steuerung der nacheinanderfolgenden
Schließvorgänge wird durch den Zeitgabekreis 20 gesteuert. Durch
das nacheinanderfolgende Schließen der Schaltkreise werden die
Ausgänge der Abtast- und Haltekreise 16 a , 16 b , 16 c und 16 d der
Reihe nach dem Analog-Digital-Umsetzer 18 zugeführt. Sind, wie bei
Fig. 6, beispielsweise fünf Eingänge vorhanden, dann kann der
Multiplexkreis fünf Schaltkreise aufweisen.
Wenn der Multiplexkreis 17 mit den Eingängen zugeordneten Schaltkreisen
versehen ist, dann kann jeder der Schaltkreise als ein Teil
jedes Eingangskreises aufgefaßt werden, der dann gemäß der Erfindung
überprüft wird.
Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
dieses Beispiel demjenigen von Fig. 2 ähnelt, mit der Ausnahme
jedoch, daß der Multiplexkreis 17 und der einzelne Analog-Digital-
Umsetzer 18 weggelassen und durch eine Vielzahl von Analog-Digital-Umsetzern
32 a , 32 b , 32 c und 32 d ersetzt sind, die den ermittelten
Eingängen zugeordnet sind. Die Analog-Digital-Umsetzer
nehmen die Ausgänge der Abtast- und Haltekreise 16 a , 16 b , 16 c
und 16 d auf und setzen diese in Digitalsignale um. Die Ausgänge
der Analog-Digital-Umsetzer werden dann der Reihe nach der Datenverarbeitungseinheit
19 über eine Datenleitung 33 zugeführt. Die
Zuführungsfolge der Ausgänge der Analog-Digital-Umsetzer zur Einheit
19 wird durch den Taktkreis 20 gesteuert.
Sind eine Vielzahl solcher jeweils jedem Eingang zugeordneter
Analog-Digital-Umsetzer vorhanden, dann kann jeder Analog-Digital-Umsetzer
als Teil jedes zu prüfenden Eingangskreises angesehen
werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur dann anwendbar,
wenn ein der Null-Phasenspannung oder dem Nullphasenstrom zugeordneter
Eingangskreis überprüft werden soll, sondern auch dann,
wenn ein Eingangskreis überprüft werden muß, der irgendeinem Wert
zugeordnet ist, welcher üblicherweise einen vorgegebenen Wert nicht
überschreiten darf.