DE10305004A1 - Method for monitoring AC networks e.g. for protecting in-plant equipment such as heating station, requires calculating network actual voltage vector from tangent of two sum product quotients - Google Patents

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Hartmut Dr. Opperskalski
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Abstract

A method for monitoring AC networks involves measuring the phase characteristic of the network voltage in temporal measurement periods which represent a fraction of a periodic time-duration and from the respective measurements two sum products are generated i.e. the sum product from the recorded network voltage and a sinusoidal signal with the same frequency as the network voltage. From the tangent of the quotients of the two sum products, the actual vector of the network voltage is calculated and then compared with the vector quantity and with any difference of the two vector values following the comparison, being greater than a pre-set triggering threshold, triggering is released.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Wechselstromnetzen auf Netzausfall und/oder andere Störungen zum Schutz des Netzes und/oder der in das Netz einspeisenden Eigenerzeugungsanlagen.The invention relates to a method for surveillance from AC networks to power failure and / or other disturbances Protection of the network and / or the self-generation plants feeding into the network.

An die Wechselspannungsnetze der Stromlieferanten werden in steigendem Umfang in das Netz einspeisende Eigenerzeugungsanlagen angeschlossen, worunter Blockheizkraftwerke, Photovoltaikanlagen, Windenergieanlagen, Brennstoffzellen etc. verstanden werden. Solche Eigenerzeugungsanlagen müssen gemäß Richtlinie des VDEW (Verband der Elektrizitätswirtschaft) vom Mai 2001 gegen Netzausfälle bzw. Netzwiederkehr nach Netzausfällen geschützt werden, und zwar mittels einer Einrichtung zur Netzüberwachung, die bei einer Netzstörung einen Kuppelschalter betätigt (Auslösung).To the AC networks of Electricity suppliers are increasingly feeding into the grid Own generation plants connected, including combined heat and power plants, Understand photovoltaic systems, wind turbines, fuel cells etc. become. Such self-generation plants must be installed in accordance with the VDEW (Association of Electricity industry) from May 2001 against network failures or network return after network failures are protected by means of a network monitoring facility, that in the event of a grid failure operated a tie switch (Tripping).

Bisher bekannte Einrichtungen zur Netzüberwachung beinhalten eine Spannungs- und Frequenzüberwachung, d.h. das Netz wird auf Über- oder Unterspannung und Über- oder Unterfrequenz überwacht. Mit dieser Methode der Netzüberwachung können die in das Netz einspeisenden Eigenerzeugungsanlagen nur bedingt gegen Netzstörungen wie Netzausfälle bzw. Netzwiederkehr nach Netzausfällen geschützt werden. Unter ungünstigen Umständen geht eine Netzstörung nicht unbedingt mit einer Spannungs- bzw. Frequenzänderung einher. Eine bessere Erkennung einer Netzstörung lässt sich durch Beobachtung einer sprunghaften Veränderung einer Periode (sog. Vektorsprung) erreichen.Previously known facilities for network monitoring include voltage and frequency monitoring, i.e. the network will on over or Undervoltage and over- or underfrequency monitored. With this method of network monitoring can the self-generation plants feeding into the grid are only conditional against network interference like power outages or network return after network failures are protected. Under unfavorable circumstances goes a network failure not necessarily with a change in voltage or frequency associated. A better detection of a network fault can be observed a sudden change in one Reach period (so-called vector jump).

Bisher bekannte Einrichtungen werten dazu z. B. die Periodendauer der Netzspannung aus, d.h. es wird die Zeitdauer zwischen zwei gleichsinnigen Nulldurchgängen der Netzspannung gemessen. Diese Zeit ist umgekehrt proportional zur Netzfrequenz und ändert sich wegen der hohen Frequenzstabilität des Netzes in den betrachteten Zeiträumen (Perioden dauer) nicht. Änderungen in der Periodendauer sind daher auf Netzstörungen zurückzuführen.Evaluate previously known facilities to this z. B. the period of the mains voltage, i.e. it will the time between two same-zero crossings of the Mains voltage measured. This time is inversely proportional to Grid frequency and changes because of the high frequency stability of the network periods (Periods last) not. amendments in the period, therefore, are due to network disturbances.

Problematisch bei der oben beschriebenen Periodendauermessung sind mögliche Abweichungen der Netzspannung von der idealen Sinusform des Netzes durch Rauschen oder zusätzliche Oberwellen, die insgesamt die Netzspannung mehr oder weniger stark verändern, so dass der Spannungsverlauf im Bereich der Nulldurchgänge – besonders wenn es pro Periode gar zu mehrtachen nebeneinanderliegenden Nulldurchgängen kommt – nicht mehr klar erkennbar ist. Daher ist die bekannte Periodendauermessung auch bei Oberwellenfilterung nur bedingt tauglich, und die Gefahr einer fehlerhaften Auslösung eines Kuppelschalters ist gegeben.Problematic with the period measurement described above are possible Deviations of the mains voltage from the ideal sine shape of the network through noise or additional Harmonics, the total mains voltage more or less strong change, so the voltage curve in the area of the zero crossings - especially if there are even multiple zero crossings next to each other - not is more clearly recognizable. Hence the well-known period measurement only partially suitable for harmonic filtering, and the danger faulty triggering a tie switch is given.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Überwachung von Wechselstromnetzen auf Störungen ein Verfahren zu schaffen, mit dem insbesondere Vektorsprünge im Phasenverlauf der Netzspannung sicher erkannt und fehlerhafte Reaktionen wie z. B. fehlerhafte Auslösungen des Kuppelschalters möglichst vermieden werden können.The invention is based, for monitoring AC networks for faults to create a method with which in particular vector jumps in the phase profile the mains voltage is reliably detected and faulty reactions such. B. faulty trips of the tie switch if possible can be avoided.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention solved with a method with the features of claim 1. advantageous Embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird eine schnelle Messung des Netzspannungsverlaufs eingesetzt, da die Messungen in Zeitabständen von z.B. 1 ms ausgeführt werden. Bei einer Periodendauer von 20 ms (bei einer Netzfrequenz von 50 Hz) ergeben sich somit wenigstens 20 Messungen je Periode. Dies ist in der anliegenden Skizze graphisch dargestellt. Dort ist bei einer Wechselspannung ein in einer Periode aufgetretener Vektorsprung von z.B. 10° angedeutet.According to the invention, a quick measurement of the mains voltage curve, since the measurements are made at intervals of e.g. 1 ms executed become. With a period of 20 ms (at a mains frequency of 50 Hz) there are at least 20 measurements per period. This is shown graphically in the attached sketch. There is in the case of an alternating voltage, a vector jump that occurred in a period from e.g. 10 ° indicated.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von bestimmten Kurvenpunkten (z. B. Nulldurchgängen) des Netzspannungs- Phasenverlaufs und damit für beliebige Kurvenformen, auch durch Rauschen und Oberwellen verfälschte Kurven des Phasenverlaufs geeignet.The method according to the invention is independent of certain curve points (e.g. zero crossings) of the mains voltage phase curve and with it for any curve shapes, including curves distorted by noise and harmonics suitable for the phase curve.

Die aufgenommenen Messwerte werden nicht ausschließlich auf bestimmte Kriterien (z. B. Wechsel der Polarität = Nulldurchgang) untersucht, sondern sie werden kontinuierlich mit ihrem Betrag und ihrer Phasenlage ausgewertet.The recorded measurements are not exclusively certain criteria (e.g. change of polarity = zero crossing) examined, but they are continuously updated with their amount and evaluated their phase position.

Die hohe Rechenleistung eines Prozessors erlaubt eine komplexe mathematische Betrachtung und damit eine schnelle Auswertung der Messergebnisse. Störeinflüsse bei der Messung können so mathematisch sicher eliminiert werden.The high computing power of a processor allows a complex mathematical view and therefore a quick one Evaluation of the measurement results. Interference during the measurement can be eliminated mathematically.

Die Netzspannung wird im Eingangsbereich einem Filter zugeführt, das Frequenzen oberhalb der sich durch den Stützstellenabstand tMess der Messung ergebenden Frequenz fGrenz stark bedämpft.

Figure 00030001
The mains voltage is fed to a filter in the input area, which strongly attenuates frequencies above the frequency f limit resulting from the support point distance t measurement of the measurement.
Figure 00030001

Die bedämpfte Netzspannung wird im Zeitabstand von tMess aufgenommen. Aus den jeweiligen Messungen werden zwei Summenprodukte, das Summenprodukt aus der aufgenommenen Netzspannung und einem Sinussignal mit gleicher Frequenz der Netzspannung und das Summenprodukt aus der aufgenommenen Netzspannung und einem Cosinussignal mit ebenfalls gleicher Frequenz gebildet. Der Winkel φ der Netzspannung (Vektor) ist dann für n Messungen je Periode

Figure 00030002
The damped mains voltage is recorded at a time interval of t measurement . Two sum products, the sum product of the recorded mains voltage and a sine signal with the same frequency of the mains voltage and the sum product of the recorded mains voltage and a cosine signal with likewise the same frequency, are formed from the respective measurements. The angle φ of the mains voltage (vector) is then for n measurements per period
Figure 00030002

Ein Vektorsprung liegt dann vor, sobald sich eine Änderung des Winkels φ (Vektors) innerhalb einer Periode ergibt. Wegen der Änderung des Vektors innerhalb eines kurzen Zeitraums spricht man von einer sprunghaften Änderung oder eben vom Vektorsprung.Then there is a vector jump, as soon as there is a change of the angle φ (vector) within a period. Because of the change in the vector within A short period of time is called a sudden change or just from the vector jump.

Durch die Berechnung ist das Messverfahren gegen periodische Störungen als sicher zu betrachten. Hochfrequente nicht periodische Störungen werden durch die Filterung im Eingangsbereich und durch die Berechnung des Summenproduktes über mehrere Stützstellen bereits weitgehend eliminiert. Ein sicherer Ausschluss von Störeinflüssen kann erreicht werden, wenn der Betrag des aktuell berechneten Vektors mit dem Betrag des Vektors verglichen wird, der z.B. zwei Perioden früher aufgenommen und berechnet wurde. Nur dann, wenn die Differenz beider Werte größer ist als der eingestellte Auslöseschwellwert, erfolgt eine Reaktion, z. B. Auslösung des Kuppelschalters. Die Gefahr einer fehlerhaften Auslösung ist minimiert. Vektorsprünge können sowohl positiv als auch negativ erfolgen. Für die Auslösung ist die Richtung nicht relevant, es werden daher jeweils die Beträge der aktuellen und der früheren Werte des berechneten Vektors mit der eingestellten Auslöseschwelle verglichen.Through the calculation is the measurement method against periodic disturbances to be considered safe. Radio frequency non-periodic interference by filtering in the entrance area and by the calculation of the sum product over several reference points already largely eliminated. A reliable exclusion of interference can be achieved when the amount of the currently calculated vector is compared with the amount of the vector, e.g. two periods earlier was recorded and calculated. Only if the difference between the two Values is greater than the set trigger threshold, there is a reaction, e.g. B. Tripping the tie switch. The Risk of incorrect triggering is minimized. vector surges can both positive and negative. The direction is not for the release relevant, therefore the amounts of the current and the previous values are respectively of the calculated vector with the set trigger threshold compared.

Der tatsächliche Vektorsprung als Differenz beider Vektorvergleichswerte kann vom System dargestellt werden und ist für die Optimierung einer Anlage zur Netzüberwachung (Festlegung des Auslösewertes) von großem Nutzen. Um einen möglichst genauen Wert für den Vektorsprung angeben zu können, sollen die mit dem beschriebenen, für die Sicherheit des Auslöseverfahrens erforderlichen, Berechnungsverfahren verbundenen Störunterdrückungen abgewartet werden. Der Auslösewert wird daher erst z. B. zwei Perioden nach der Auslösung errechnet.The actual vector jump as the difference between the two The system can display vector comparison values for the Optimization of a system for network monitoring (definition of the Release value) of great Use. To one if possible exact value for to be able to indicate the vector jump, should those with the described, for the safety of the triggering process required calculation methods associated interference suppression be waited for. The trigger value is therefore only z. B. calculated two periods after triggering.

Claims (5)

Verfahren zur Überwachung von Wechselstromnetzen auf Netzausfall und/oder andere Störungen zum Schutz des Netzes und/oder der in das Netz einspeisenden Eigenerzeugungsanlagen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) der Phasenverlauf der Netzspannung aufgetragen über die Zeit wird nach Betrag und Phasenlage in zeitlichen Messabständen gemessen, die einen Bruchteil einer Periodendauer betragen; b) aus den jeweiligen Messungen werden von einem Prozessor zwei Summenprodukte gebildet, nämlich das Summenprodukt aus der aufgenommenen Netzspannung und einem Sinussignal mit gleicher Frequenz der Netzspannung und das Summenprodukt aus der aufgenommenen Netzspannung und einem Cosinussignal mit ebenfalls gleicher Frequenz; c) aus dem arc Tangens des Quotienten der beiden Summenprodukte gemäß b) wird der aktuelle Vektor der Netzspannung berechnet; d) der gemäß c) aktuell berechnete Vektor wird mit dem Betrag des Vektors verglichen, der wenigstens eine Periode vorher aufgenommen und berechnet worden ist; e) bei einer Differenz beider Vektorvergleichswerte nach d) größer als ein voreingestellter Auslöseschwellwert erfolgt eine Auslösung.Procedure for monitoring AC networks for network failure and / or other faults to protect the network and / or the self-generating plants feeding into the network due to the following features: a) the phase curve of the mains voltage plotted over the time is measured according to amount and phase position at time intervals, which are a fraction of a period; b) from the respective measurements are two sum products by a processor formed, namely that Sum product of the recorded mains voltage and a sine signal with the same frequency of the mains voltage and the sum product the recorded mains voltage and a cosine signal with also same frequency; c) from the arc tangent of the quotient of the two sum products according to b) calculates the current vector of the mains voltage; d) the current according to c) calculated vector is compared to the amount of vector that recorded and calculated at least one period in advance is; e) after a difference between the two vector comparison values d) greater than a preset trigger threshold there is a trigger. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu überwachende Netzspannung im Eingangsbereich gefiltert und/oder bedämpft wird.A method according to claim 1, characterized in that the one to be monitored Mains voltage is filtered and / or attenuated in the input area. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Periodendauer von 20 ms einer 50 Hz- Netzfrequenz die Messabstände bzw. Stützstellenabstände der Messung in einem Bereich von etwa 1 ms und kleiner liegen.A method according to claim 1, characterized in that with a period of 20 ms of a 50 Hz mains frequency the measuring distances or spacing between the Measurement in a range of about 1 ms and less. Verfahren zur Netzüberwachung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Netzspannungs-Vektoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten berechnet und unabhängig von Nulldurchgängen der Spannungskurve ausgewertet werden.Network monitoring methods, in particular according to one of the claims 1 to 3, characterized in that line voltage vectors too calculated at different times and regardless of Zero crossings the voltage curve can be evaluated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die schnelle Erkennung und Auswertung eines Vektorsprungs Eigenerzeugungsanlagen innerhalb von einer Periode nach Netzstörung wie Netzausfall vom überwachten Netz getrennt werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that that through the rapid detection and evaluation of a vector jump In-house generation plants within a period after grid failure such as Power failure from the monitored network be separated.
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Vektorsprungrelais VSR 100. Betriebsanleitung (online),ZIEHL industrieelektronik GmbH & Co.,D-74523 Schwäbisch Hall,1998, rech. am 17.10.2003. Im Internet: http://www.ziehl.de/ziehl/ deutsch/-betriebsanleitungen/ba_vsr100.pdf, S.1;

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