DE4230649A1 - Verfahren und Einrichtung zur Signalkorrektur - Google Patents

Description

Zur Sicherung des Betriebs von Energieübertragungsleitungen werden diese von sogenannten Schutzgeräten auf Fehler über­ wacht. Dabei werden Meßwerte der Leitung, z. B. Strom und Spannung, aufgenommen, ggf. miteinander verknüpft und auf Überschreitung vorgegebener Grenzwerte überwacht. Eine spe­ zielle Ausführung eines solchen Schutzgerätes ist der Di­ stanzschutz. Dieser mißt, ausgehend von Strom und Spannung, die Leitungsimpedanz und stellt fest, ob und in welcher Entfernung ein Kurzschluß auf der Leitung auftritt. Ist dies der Fall, so wird ein Abschaltkommando für die Energie­ zufuhr der Leitung abgegeben.

Häufig bilden Lichtbögen einen Kurzschluß auf Hochspannungs­ leitungen. Der dabei auftretende Lichtbogenwiderstand ver­ fälscht jedoch das Meßergebnis des Distanzschutzes. Um die­ sen zu berücksichtigen, wurde bisher ein ohmscher Anteil bei den Einstellwerten des Distanzschutzes zugegeben (soge­ nannte Lichtbogenreserve). Trotzdem traten vereinzelt Fälle auf, bei denen keine zufriedenstellende Auslösung erfolgte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Berücksichti­ gung von Meßwertstörungen, insbesondere durch Lichtbogen­ fehler, zu verbessern.

Der Erfinder stellte fest, daß Schutzunterfunktionen insbe­ sondere bei Lichtbogenkurzschlüssen in PE-Kabeln auftraten. Diese oft aufgrund von Water-Treeing oder Isolationsstör­ stellen auftretenden Lichtbögen weisen außer einer für den ohmschen Lichtbogenwiderstand verantwortlichen rechteckför­ migen Lichtbogenspannung auch bei jedem Stromnulldurchgang wiederkehrende Zündspitzen auf, welche als Ursache für die Fehlfunktion ermittelt wurden. Filtermaßnahmen zur Elimi­ nation der Zündspitzen brachten keinen Erfolg, da diese auch einen erheblichen Grundschwingungsstöranteil der Meßspannung enthalten, welcher durch ein Filter nicht vom gesuchten Grund­ schwingungsanteil getrennt werden kann. Dieser ist jedoch wesentlich für die Fehlfunktion ausschlaggebend.

Die Lösung gelingt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln eine Meßwertbereini­ gung erzielt, wobei auch Grundschwingungsanteile im Stör­ signal berücksichtigt werden. Die Mustererkennung ist dabei auch in der Lage auf Lichtbogenspannungen ohne ausgeprägte Zündspitzen, wie sie bei stromstarken Lichtbögen in Luft auftreten, anzusprechen. Das oder die Muster sind dabei z. B. als Frequenzspektrum, als Hüllkurvenverlauf oder auch als Signalabweichung von einem zu erwartenden Signalverlauf - auch als Algorithmus - vorgebbar.

Das Signal kann dazu nach Art einer Fensterbetrachtung über­ wacht und mit einem vorgegebenen Muster verglichen werden. Insbesondere wird ein vorgebbarer Teil des Signals, z. B. die erste Viertelperiode, betrachtet, in dem die Störungen erwartet werden. Das Ersetzen des störungsbehafteten Teils des Signals kann auch als Eliminationsroutine bezeichnet werden, die durch die Störmustererkennung ausgelöst wird, wobei der im Fenster befindliche Teil des Signals ersetzt wird. Es kann jedoch auch nur der störungsbehaftete Anteil des Signals herausgegriffen werden.

Bevorzugt wird der störungsbehaftete Teil des Signals durch Kopieren und/oder Projizieren eines fehlerarmen Anteils des Signals ersetzt. Die Projizierung ist dabei als symmetrische Projizierung ausgebildet. Zum Erkennen des störungsarmen Anteils kann ebenfalls eine Mustererkennung eingesetzt wer­ den. Alternativ kann jedoch auch der zu ersetzende Teil mit allgemeinen bekannten Methoden oder Algorithmen errechnet oder abgeschätzt werden. Im einfachsten Fall kann der stö­ rungsbehaftete Abschnitt des Signals durch eine Gerade er­ setzt werden. Gegebenenfalls kann auch mittels einer Aus­ wahllogik die für den Fall günstigste Methode ausgewählt werden. Um eine besonders schnelle Mustererkennung zu er­ zielen, kann auch mit Hilfe einer Fuzzy-Logik und gewich­ teten Merkmalen verfahren werden.

Das Verfahren kann vorteilhaft bei Gleich- und Wechselsigna­ len angewendet werden. Eine bevorzugte Anwendung liegt bei der Distanzschutzmessung. Hier wurden in Versuchsreihen be­ sonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt. Dazu wurde ein Spannungssignal einer Hochspannungsleitung der Mustererken­ nung unterzogen.

Eine weitere Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Vorrich­ tung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Wei­ terbildungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 9 bis 13 angegeben. Die bereits oben und im weiteren aufgeführten Vorteile gelten für die Vorrichtung sinngemäß.

Das Verfahren findet bevorzugt eine Anwendung in digitalen Vorrichtungen mit Rechnern und Signalprozessoren, z. B. einem digitalen Schutzgerät.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand einer Ausführungsvariante beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Vorrichtung und zum Verfahren, Fig. 2 bis 4 Signalverläufe mit verschiedenen Eliminations­ algorithmen,

Fig. 5 bis 8 Meßwertaufzeichnungen ohne Elimination und Fig. 9 bis 12 Störungsaufzeichnungen mit Elimination.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Korrektur eines Signals mit Störungen. Die Vorrichtung 1 umfaßt im wesentlichen eine Einrichtung 3 zur Störmustererkennung und ein Korrektur­ glied 5, das zum Eliminieren von Störungen auf einem Signal dient.

Der Einrichtung 3 wird dazu ein Signal, vorliegend beispiel­ haft ein Spannungssignal U, zugeführt. Das Signal U wird in der Einrichtung 3 einer Mustererkennung unterworfen, um fest­ zustellen, ob das Signal einen Störsignalanteil, z. B. einen Lichtbogenspannungsanteil, enthält. Hierzu müssen vorgebbare Charakteristika erfüllt werden. Diese können auf verschieden­ artigste Störungen ausgelegt sein. Beispielhaft können die Charakteristika als Frequenzspektrummuster, als Hüllkurven­ verlauf oder auch als zu erwartender Signalverlauf ausgebil­ det sein. Bei zusätzlicher Verwendung eines Fuzzy-Gliedes kann die Stör-Mustererkennung auch nach gewichteten Merkmalen erfolgen. Eine Erkennung nach gewichteten Merkmalen ist in sehr kurzen Zeitabständen möglich, was bei der Anwendung in Schutzgeräten von wesentlichem Vorteil ist. Die Musterer­ kennung kann auch zum Auffinden eines störungsarmen Anteils des Signals dienen. Gegebenenfalls können der Einrichtung 3 auch weitere Signale, z. B. ein Stromsignal I, zugeführt werden, die als Auslöser oder als Synchronisiersignal für eine Mustererkennung dienen.

Ist von der Einrichtung 3 ein Störmuster erkannt worden, so wird über einen Informationsweg 7, z. B. eine Signalleitung, ein Freigabesignal an das Korrekturglied 5 abgegeben. Dem Korrekturglied 5 ist ebenfalls das Signal U - ggf. auch das Stromsignal I - direkt oder indirekt über die Einrichtung 3 zugeführt. Das Korrekturglied 5 ersetzt dann zumindest den störungsbehafteten Teil des Signals U durch einen zumindest störungsärmeren Anteil. Dieser Anteil sollte derart "stö­ rungsfrei" sein, daß verbesserte Meß- oder Auslösebedin­ gungen geschaffen werden. Am Ausgang des Korrekturgliedes 5 steht dann das quasi "rekonstruierte" Signal U_eli zur Ver­ fügung, das weiteren Verarbeitungen zugeführt werden kann. Im Falle eines Distanzschutzes kann eine Impedanzmessung nachgeschaltet sein.

Einige Eliminationsmethoden des Korrekturgliedes 5 sind in den Fig. 2 bis 4 näher dargestellt. Da Lichtbogenspan­ nungen immer stromnulldurchgangssynchron sind und daraus resultierende Störspannungen, insbesondere Zündspannungen, immer nur in der ersten Viertelperiode nach einem Strom­ nulldurchgang auftreten, beginnt das Fenster 9 der Muster­ erkennung bevorzugt beim Stromnulldurchgang N (Fig. 2). Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine Störung auf dem Signal U be­ zeichnet. In diesem Beispiel wird der zu ersetzende Teil im Fenster 9 des Signals U nach der minimalen Fehlerquadrat­ methode aus dem nachfolgenden Signalteil 13 errechnet. Der im Fenster 9 befindliche Signalteil und der nachfolgende Signalteil 13 entsprechen einer Halbwelle des Stromsignals I. Es wird aus der zweiten Viertelperiode nach dem Stromnull­ durchgang auf die erste Viertelperiode geschlossen. Die zwei­ te Viertelperiode, entsprechend Signalteil 13, wird also in die erste Viertelperiode fortgeschrieben. Dabei können gleich­ zeitig auch Rechteckfunktionen eliminiert werden, so daß bei Lichtbogenstörungen nicht nur der induktive Teil der Licht­ bogenimpedanz, sondern auch der ohmsche Teil eliminiert und somit nachfolgende Meßverfahren nicht mehr beeinflußt wer­ den. Eine ohmsche Lichtbogenreserve braucht nicht mehr be­ rücksichtigt zu werden.

Fig. 3 zeigt einen besonders einfachen Fall, bei dem der Nulldurchgang des Signals U mit dem Nulldurchgang N des Stromsignals I übereinstimmt (ohmscher Fehler). Dabei wird der fehlerbehaftete Teil im Fenster 9 durch einfaches Spiegeln oder Umkopieren der zweiten Viertelperiode ersetzt.

Sinngemäß wird in dem Beispiel gemäß Fig. 4 verfahren, bei dem eine Projizierung aus einer negativen Halbwelle des Signalteils 13 in das Fenster 9 erfolgt (induktiver Fehler). Eine Festlegung von festen Fenstern bzw. Periodendauern bei der Mustererkennung und bei der Elimination sind besonders vorteilhaft, da mit festen Zeitabschnitten verfahren werden kann. Eine Ermittlung von Anfang und Ende einer Störung ist nicht erforderlich. Dies führt zu einer Zeitersparnis. Soll jedoch eine besonders hohe Genauigkeit erzielt werden, so kann das Verfahren auch nur auf einen Abschnitt der Störung eingeschränkt werden. Die Beispiele gemäß Fig. 3 und 4 er­ geben sich bei Leiter-Erde-Fehlern in Netzen mit ohmscher oder induktiver Sternpunkterdung. Die durch die gezeigten Elimintionsmethoden entstehenden Meßfehler sind in bezug auf einen Distanzschutz vernachlässigbar gering, wobei die er­ zielten Vorteile überraschend groß sind. Selbstverständlich sind auch kombinierte oder weitere Methoden denkbar, bei denen aus vorausgehenden Singalverläufen der fehlerbehaftete Teil rekonstruiert wird. Ist eine Rekonstruktion nicht mög­ lich, so wird im Zweifelsfall das fehlerbehaftete Signal benutzt.

In den weiteren Fig. 5 bis 14 sind Signalverläufe ge­ zeigt, die die vorteilhaften Wirkungen des Verfahrens bei einem Distanzschutz veranschaulichen. Fig. 5 bis 8 zeigen dabei eine Auslösung mit einem Distanzschutzgerät nach dem Stand der Technik und Fig. 9 bis 12 eine Auslösung mit Hilfe des neuen Verfahrens. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 5 und 9 einen Spannungsverlauf,

Fig. 6 und 10 einen Stromverlauf,

Fig. 7 und 11 einen vom Distanzschutz errechneten ohmschen Widerstand,

Fig. 8 und 12 eine vom Distanzschutz errechnete Reaktanz X mit einem eingestellten Grenzwert GX, einer tatsäch­ lichen Reaktanz XT und der gemessenen Reaktanz X.

In den Fig. 5 bis 8 ist zu erkennen, daß beginnend beim Zeitpunkt t₀ ein Kurzschluß eintritt. Der vom Distanzschutz gemessene Widerstand R übersteigt den vorgegebenen Grenzwert GR stark. Die gemessene Reaktanz X weicht überstark von der tatsächlichen Leitungsreaktanz XT ab. Eine Fehlfunktion, nämlich ein Nichtauslösen, ist vorprogrammiert, obwohl die tatsächliche Leitungsreaktanz XT den Grenzwert GX schon un­ terschritten hat.

In den Signalverläufen gemäß Fig. 9 bis 12 ist eine er­ hebliche Verbesserung der Auslösefunktion gegeben. Der vom Distanzschutz gemessene Widerstand R weist nur noch geringe Abweichungen auf und unterschreitet klar den vorgegebenen Grenzwert GR. Überdeutlich wird das verbesserte Ergebnis bei der gemessenen Reaktanz X. Diese weist nunmehr nur noch eine geringe Abweichung von der tatsächlichen Leitungsreaktanz XT auf und unterschreitet klar den vorgegebenen Grenzwert GX, wodurch eine zuverlässige Auslösung gesichert ist. Bei die­ sem Beispiel wurde ein einfacher Umkopieralgorithmus ver­ wendet. In einer Offline-Simulation mit gemessenen Fehler­ verläufen von real aufgetretenen Fehlern wurde ebenfalls ein Eliminationsalgorithmus mit einem mittleren Fehlerquadrat­ verfahren getestet, welcher noch genauere und bessere Er­ gebnisse lieferte.

Das gesamte Verfahren sowie eine nach dem Verfahren arbei­ tende Einrichtung findet bevorzugt Anwendung in Schutzgerä­ ten, die in der Energieversorgung eingesetzt werden. Hierzu zählt insbesondere der Distanzschutz, wobei digitale Geräte mit Mikro- oder Signalprozessoren besonders gut geeignet sind. Das Verfahren kann dann als Programm realisiert wer­ den, welches besonders wenig Rechenzeit benötigt und auf­ wendige zeitintensive Filterverfahren vermeidet. Dies ist wichtig bei der schnellen Erkennung von Fehlern auf Hoch- oder Mittelspannungsleitungen, bei denen große Energien in kürzester Zeit frei werden und zu großen Zerstörungen und zu einem Zusammenbruch der Energieversorgung führen können.

Claims (13)

1. Verfahren zur Korrektur eines Signals (U) mit Störungen (11), insbesondere mit Lichtbogenstörungen, wobei das Signal (U) einer Störmustererkennung unterzogen wird und beim Er­ kennen eines störungsbedingten Musters zumindest der stö­ rungsbehaftete Teil des Signals (U) durch einen störungs­ ärmeren Teil ersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Störmustererken­ nung das Signal (U) in einem vorgebbaren Bereich, insbe­ sondere einem Fenster (9), überwacht wird und im Fehlerfall der in dem Bereich befindliche störungsbehaftete Teil des Signals (U) ersetzt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der den störungsbehafteten Teil des Signals (U) ersetzende Teil durch Projizierung eines störungsarmen Anteils des Signals (U) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der den störungsbehafteten Teil des Signals (U) ersetzenden Teil mit einem Algorithmus errechnet oder abgeschätzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Signal (U) ein Spannungssignal ist und die Mustererken­ nung bei einem zugeordneten Stromnulldurchgang (N) gestartet oder synchronisiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gewonnene korrigierte Signal (U) einer Distanzschutz­ messung zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Signal (U) ein Wechselsignal ist.

8. Vorrichtung (1) zur Korrektur seines Signals (U) mit Störungen (11), insbesondere mit Lichtbogenstörungen, wobei eine Einrichtung (3) zur Störmustererkennung und ein Kor­ rekturglied (5) vorgesehen sind und beim Erkennen eines störungsbedingten Musters von der Einrichtung (3) ein Frei­ gabesignal an das Korrekturglied (5) gegeben wird, das zumindest den störungsbehafteten Teil des Signals (U) durch einen störungsärmeren Teil ersetzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei für die Störmusterer­ kennung in der Einrichtung (5) ein Bereich des Signals (U) vorgebbar ist, der im Fehlerfall ersetzt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der den störungsbehafteten Teil des Signals (U) ersetzende Teil durch Projizierung eines störungsarmen Anteils des Signals (U) erzeugt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der den störungsbehafteten Teil des Signals ersetzende Teil im Korrekturglied mit einem Algorithmus errechnet oder abgeschätzt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Einrichtung (3) eine Fuzzy-Logik zur Störmustererkennung nach gewichteten Merkmalen umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei dieses Teil eines Schutzgerätes, insbesondere eines Dis­ tanzschutzgerätes, ist.