DE19858929A1

DE19858929A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals, das einen Leiter einer Wechselstrom-Energieübertragungsleitung als von einem Kurzschluß betroffen kennzeichnet

Info

Publication number: DE19858929A1
Application number: DE1998158929
Authority: DE
Inventors: Andreas Jurisch; Matthias Kereit; Rainer Krebs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: DE19858929C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals (S1), das einen Leiter (10) einer Wechselstrom-Energieübertragungsleitung (5) als von einem Kurzschluß betroffen kennzeichnet, bei dem der durch den Leiter (10) fließende Strom (I1(t)) und die an dem Leiter (10) anliegende Leiter-Spannung (U1(t)) abgetastet und unter Bildung von Strom- und Spannungsabtastwerten (U1k) digital gewandelt werden. Aus den Abtastwerten wird ein Impedanzwert gebildet, und es wird das Fehlersignal (S1) erzeugt, wenn der Impedanzwert (Z) innerhalb eines vorgegebenen Auslösepolygons liegt. DOLLAR A Besonders zuverlässig läßt sich das Fehlersignal erzeugen, wenn für Strom und Spannung jeweils Kontrollwerte ermittelt werden, die den jeweiligen Abtastwerten jeweils zeitlich zugeordnet werden, und aus der Differenz zwischen den Kontrollwerten und den jeweils zugeordneten Abtastwerten für Strom und Spannung jeweils ein Varianzwert (Vi1, Vu1) gebildet wird und das Fehlersignal (S1) erzeugt wird, wenn der Impedanzwert (Z) innerhalb eines hinsichtlich seiner Größe mit den beiden Varianzwerten (Vi1, Vu1) gebildeten Auslösegebietes liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen ei nes Fehlersignals, das einen Leiter einer Wechselstrom-Ener gieübertragungsleitung als von einem Kurzschluß betroffen kennzeichnet, bei dem eine dem durch den Leiter fließenden Strom proportionale Strommeßgröße abgetastet und unter Bil dung von Stromabtastwerten digital gewandelt wird, ein der an dem Leiter anliegenden Leiter-Spannung proportionale Span nungsmeßgröße abgetastet und unter Bildung von Spannungsab tastwerten digital gewandelt wird, die Abtastwerte für Strom und Spannung jeweils in einem ersten digitalen Filter unter Bildung jeweils einer Amplitude eines ersten mit der Grund frequenz der jeweiligen Meßgröße schwingenden Meßwertanteils gefiltert werden, die Abtastwerte für Strom und Spannung je weils in einem zweiten digitalen Filter unter Bildung jeweils einer Amplitude eines mit der Grundfrequenz der jeweiligen Meßgröße schwingenden zweiten Meßwertanteils gefiltert werden, wobei der zweite Meßwertanteil zu dem jeweils zugeordneten ersten Meßwertanteil jeweils orthogonal ist, und das Fehlersignal erzeugt wird, wenn ein mindestens mit den beiden Amplituden der jeweiligen Meßwertanteile von Strom und Spannung gebildeter Impedanzwert innerhalb eines vorgegebenen Auslösegebiets liegt. Unter der Leiter-Spannung ist dabei eine Leiter-Leiter-Spannung oder eine Leiter-Erde-Spannung zu verstehen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 196 05 025 A1 ist ein derartiges Verfahren bekannt. Bei diesem vorbekannten Verfah ren werden Strom und Spannung für alle drei Phasenleiter ei ner dreiphasigen Energieübertragungsleitung abgetastet und in entsprechende Strom- und Spannungsabtastwerte umgewandelt.

Durch digitale Filterung der Abtastwerte werden für jeden Phasenleiter aus den jeweiligen Abtastwerten komplexe Strom- und Spannungs-Zeigermeßgrößen nach Real- und Imaginärteil er zeugt. Für die auf einen Kurzschluß zu überwachende Leiter- Leiter- oder Leiter-Erde-Schleife wird der Impedanzwert (Schleifenimpedanzwert) dieser Schleife aus den komplexen Zeigermeßgrößen der zu dieser Schleife gehörenden Phasenlei ter ermittelt, und es wird anschließend ein Fehlersignal er zeugt, wenn der Impedanzwert innerhalb eines vorgegebenen Auslösegebietes liegt. Bei dem vorbekannten Verfahren sind mehrere Auslösegebiete in einem Rechner fest abgespeichert, und es wird je nach Anzahl der verfügbaren Abtastwerte und je nach der bereits nach dem vermeintlichen Fehlereintritt ver strichenen Zeitdauer eines dieser abgespeicherten Auslösege biete ausgewählt. Dabei wird konkret kurz nach Eintritt des vermeintlichen Fehlers ein besonders "kleines" Auslösegebiet herangezogen, weil kurz nach dem Fehlereintritt noch nicht genug Abtastwerte vorliegen und der aus den Abtastwerten er mittelte Impedanzwert noch sehr ungenau ist; unzutreffende Fehlermeldungen lassen sich so zuverlässig vermeiden, weil nämlich bei einem sehr kleinen Auslösegebiet nur dann ein Fehlersignal erzeugt wird, wenn mit hoher Wahrscheinlichkeit tatsächlich auch ein Fehler aufgetreten ist. Später, nachdem also bereits mehr Abtastwerte nach dem vermeintlichen Feh lereintritt vorliegen, ist die Genauigkeit des gemessenen Im pedanzwertes größer, so daß ein größeres Auslösegebiet oder sogar das maximal zulässige Auslösegebiet herangezogen werden kann. Zusammengefaßt wird bei dem vorbekannten Verfahren bei jedem Meßzyklus also ein individuell zugeordnetes Auslösege biet herangezogen, das im Hinblick auf die erwartete bzw. ge schätzte Meßgenauigkeit des ermittelten Impedanzwertes aus einer Vielzahl vorgegebener und abgespeicherter Auslösege biete ausgewählt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu geben, mit dem ein Fehlersignal, das einen Leiter einer Wech selstrom-Energieübertragungsleitung als von einem Kurzschluß betroffen kennzeichnet, besonders zuverlässig erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebe nen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für Strom und Spannung unter Heranziehung mindestens der beiden Amplituden der jeweiligen beiden Meßwertanteile unter Berücksichtigung eines angenommenen zeitlichen Verlaufs des jeweiligen Meß wertanteils jeweils Kontrollwerte ermittelt werden, die den jeweiligen Abtastwerten jeweils zeitlich zugeordnet werden, und aus der Differenz zwischen den Kontrollwerten und den jeweils zugeordneten Abtastwerten für Strom und Spannung je weils ein Varianzwert gebildet wird und das Fehlersignal er zeugt wird, wenn der Impedanzwert innerhalb eines hinsicht lich seiner Größe mit den beiden Varianzwerten gebildeten Auslösepolygons liegt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht in seiner besonders großen Zuverlässigkeit, weil das zum Erzeugen des Fehlersignals herangezogene Auslösegebiet im Hinblick auf seine Größe an die tatsächliche Meßgenauigkeit des Impedanzwertes angepaßt ist; bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nämlich die Meßgenauigkeit der zur Bildung des Impedanzwertes herangezogenen Amplituden mit Hilfe der Kon trollwerte zunächst einmal quantitativ unter Bildung von Va rianzwerten ermittelt, und es wird dann anschließend die Größe des Auslösegebietes in Abhängigkeit von den Varianzwer ten bestimmt. Im Unterschied zu dem vorbekannten Verfahren wird die Größe des Auslösegebietes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht in Abhängigkeit von einem erwarteten Meßfehler des Impedanzwertes, sondern in Abhängigkeit von dem quantitativ ermittelten, also dem tatsächlichen Meßfehler des Impedanzwertes vorgegeben, so daß das Fehlersignal besonders zuverlässig bestimmt werden kann.

Besonders genau läßt sich der Impedanzwert ermitteln, wenn die Abtastwerte für Strom und Spannung jeweils in einem drit ten digitalen Filter unter Bildung jeweils einer Amplitude eines dritten Meßwertanteils gefiltert werden, der einen in der jeweiligen Meßgröße enthaltenen, exponentiell abklingen den Meßsignalanteil berücksichtigt, und der Impedanzwert so wie die Kontrollwerte jeweils unter Heranziehung der drei Amplituden aller drei Meßwertanteile ermittelt werden, wobei bei der Ermittlung der Kontrollwerte der angenommene zeitli che Verlauf des jeweiligen Meßwertanteils berücksichtigt wird denn durch Berücksichtigung des exponentiell abklin genden Meßsignalanteiles lassen sich sowohl die Amplituden der Meßwertanteile als auch nachfolgend der Impedanzwert sehr genau ermitteln.

Besonders einfach läßt sich ein exponentiell abklingender Meßsignalanteil in den Abtastwerten quantitativ bestimmen, wenn zum Ermitteln der Meßwertanteile ein deren zeitlichen Verlauf angebendes Signalmodell für die Strom- und Spannungs meßgröße herangezogen wird gemäß

wobei T_A die Abtastperiodendauer, mit der Strom- und Spannung abgetastet werden, τ eine Abklingkonstante, ω₀ die Kreisfre quenz der Grundwelle von Strom und Spannung, k die Laufvaria ble für den Abtastzeitpunkt, ein Koeffizient A die Amplitude des ersten Meßwertanteils, ein Koeffizient B die Amplitude des dritten Meßwertanteils, ein Koeffizient C die Amplitude des zweiten Meßwertanteils und Y_k die Abtastwerte von Strom oder Spannung bezeichnen, indem als das erste Filter jeweils ein Filter verwendet wird, das den Koeffizienten A ausgibt, als das zweite Filter jeweils ein Filter verwendet wird, das den Koeffizienten C ausgibt und als das dritte Filter jeweils ein Filter verwendet wird, das den Koeffizienten B ausgibt; bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hinsichtlich des Signalmodells nämlich davon ausgegan gen, daß der exponentiell abklingende Meßsignalanteil mit dem "Cosinusanteil" der Grundschwingung des Meßsignals verknüpft ist, wodurch eine besonders große Genauigkeit bei der Bestim mung des exponentiell abklingenden Meßsignalanteils im Rahmen der digitalen Filterung in dem dritten digitalen Filter er reicht wird.

Besonders zuverlässig läßt sich das erfindungsgemäße Verfah ren durchführen, wenn ein Warnsignal erzeugt wird, das einen mit hoher Wahrscheinlichkeit aufgetretenen Meßfehler bei der Bestimmung der Amplituden kennzeichnet; dies läßt sich kon kret dadurch erreichen, daß mit den Strom- und Spannungsab tastwerten jeweils eine Stromzeiger-Meßgröße und eine Span nungszeiger-Meßgröße gebildet wird und ein Warnsignal erzeugt wird, wenn für Strom oder Spannung die jeweilige Amplitude des dritten Meßwertanteils ein vorgegebenes Vielfaches (N1) des Betrages der jeweiligen Zeigermeßgröße oder ein vorgege benes Vielfaches des Realteiles der jeweiligen Zeigermeßgröße überschreitet. Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens macht sich die Erkenntnis zunutze, daß ein bei einem Sprung von Strom oder Spannung als Meßsignal auftreten der, exponentiell abklingender Meßsignalanteil betragsmäßig den Meßsignalanteil der Grundschwingung des Meßsignals i. a. nicht wesentlich übersteigt; dieser Sachverhalt läßt sich ma thematisch anhand der bekannten, die elektrische Signalüber tragung auf Leitungen beschreibenden Leitungsgleichungen nachweisen, worauf hier nicht näher eingegangen werden soll.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Auslösegebiet, das zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens in der Anordnung gemäß Fig. 1 heran ziehbar ist,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Meßeinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für ein erstes digitales Fil ter für die Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für ein zweites digitales Filter für die Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für ein drittes digitales Filter für die Anordnung gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt eine Energieübertragungsleitung 5 mit einem ersten Phasenleiter 10, einem zweiten Phasenleiter 15 und ei nem dritten Phasenleiter 20. Mit dem ersten Phasenleiter 10 ist ein erster Stromwandler 25 verbunden, der eine dem durch den ersten Phasenleiter 10 fließenden Strom I1(t) proportio nale Strommeßgröße Mi1 zu einem Eingang E30i1 einer Meßein richtung 30 überträgt. An den ersten Phasenleiter 10 ist au ßerdem ein erster Spannungswandler 35 angeschlossen, der eine der an dem ersten Phasenleiter 10 anliegenden Leiter-Erde- Spannung U1(t) proportionale Spannungsmeßgröße Mu1 zu einem ersten Spannungseingang E30u1 der Meßeinrichtung 30 über trägt. In gleicher Weise sind an den zweiten Phasenleiter 15 und an den dritten Phasenleiter 20 Strom- und Spannungswand ler angeschlossen; konkret ist mit dem zweiten Phasenleiter 15 ist ein zweiter Stromwandler 40 verbunden, der eine dem durch den zweiten Phasenleiter 15 fließenden Strom I2(t) pro portionale Strommeßgröße Mi2 zu einem Eingang E30i2 der Meßeinrichtung 30 überträgt, und an den zweiten Phasenleiter 15 ist ein zweiter Spannungswandler 45 angeschlossen, der eine der an dem zweiten Phasenleiter 15 anliegenden Leiter- Erde-Spannung U2(t) proportionale Spannungsmeßgröße Mu2 zu einem zweiten Spannungseingang E30u2 der Meßeinrichtung 30 überträgt. In gleicher Weise ist mit dem dritten Phasenleiter 20 ein dritter Stromwandler 50 verbunden, der eine dem durch den dritten Phasenleiter 20 fließenden Strom I3(t) proportio nale Strommeßgröße Mi3 zu einem Eingang E30i3 der Meßeinrich tung 30 überträgt, und an den dritten Phasenleiter 20 ist außerdem ein dritter Spannungswandler 55 angeschlossen, der eine der an dem dritten Phasenleiter 20 anliegenden Leiter- Erde-Spannung U3(t) proportionale Spannungsmeßgröße Mu3 zu einem dritten Spannungseingang E30u3 der Meßeinrichtung 30 überträgt.

Der Meßeinrichtung 30 ist an einem Ausgang A30A ein Eingang E70A einer Korrektureinrichtung 70 und an einem weiteren Aus gang A30B ein Eingang E75 eines Impedanzbildners 75 nachge ordnet. Dem Impedanzbildner 75 ist an seinem Ausgang A75 ein weiterer Eingang E70B der Korrektureinrichtung 70 und ein Eingang E80A einer Polygon-Auslöseeinrichtung 80 nachge schaltet. Der Polygon-Auslöseeinrichtung 80 ist an einem wei teren Eingang E80B ein Ausgang A70 der Korrektureinrichtung 70 vorgeschaltet.

In der Meßeinrichtung 30 werden die eingangsseitig anliegen den Strommeßgrößen Mi1, Mi2 und Mi3 sowie die Spannungsmeß größen Mu1, Mu2 und Mu3 unter Bildung von Abtastwerten abge tastet.

Im folgenden soll nun erläutert werden, wie mit der Anordnung gemäß Fig. 1 ein Fehlersignal erzeugt werden kann, das einen Leiter-Leiter-Kurzschluß zwischen dem ersten Phasenleiter 10 und dem zweiten Phasenleiter 15 kennzeichnet. Selbstver ständlich ist es möglich, mit der Anordnung gemäß Fig. 1 in analoger Weise ebenso alle anderen möglichen Leiter-Leiter- Kurzschlüsse oder Leiter-Erde-Kurzschlüsse zu erfassen, wenn die zu den jeweiligen Phasenleitern zugehörigen Abtastwerte herangezogen werden (vgl. hierzu beispielsweise die eingangs zitierte Offenlegungsschrift).

Die Abtastwerte der Strommeßgröße Mi1 werden im folgenden mit I1K, die Abtastwerte der Strommeßgröße Mi2 mit I2K, die Ab tastwerte der Spannungsmeßgröße Mu1 mit U1K und die Ab tastwerte der Spannungsmeßgröße Mu2 mit U2K bezeichnet.

In der Meßeinrichtung 30 werden aus den Abtastwerten U1k, U2k, I1k und I2k jeweils Strom- und Spannungszeiger-Meßgrößen U1, U2, I1 und I2 gebildet; die Spannungszeiger-Meßgröße U1 ist dabei ein Maß für die an dem ersten Phasenleiter 10 an liegende Leiter-Erde-Spannung U1(t), die Spannungszeiger-Meß größe U2 ein Maß für die an dem zweiten Phasenleiter 15 an liegende Leiter-Erde-Spannung U2(t), die Stromzeiger-Meßgröße I1 ein Maß für die durch den ersten Phasenleiter 10 fließen den Strom I1(t) und die Stromzeiger-Meßgröße I2 ein Maß für die durch den zweiten Phasenleiter 15 fließenden Strom I2(t).

In der Meßeinrichtung 30 werden mit den Abtastwerten Ilk, I2k, U1k und U2k außerdem jeweils Varianzwerte Vi1, Vi2, Vu1 und Vu2 bestimmt, die jeweils angeben, wie genau der Meßwert der jeweils zugeordneten Zeigermeßgröße I1, I2, U1, U2 tat sächlich ist; der Varianzwert Vi1 ist dabei also ein Maß für den Meßfehler der Stromzeiger-Meßgröße I1. Der Varianzwert Vi2 gibt den Meßfehler der Stromzeiger-Meßgröße I2, der Vari anzwert Vu1 den Meßfehler der Spannungszeiger-Meßgröße U1 und der Varianzwert Vu2 den Meßfehler der Spannungszeiger- Meßgröße U2 an.

Die Zeigermeßgrößen U1, U2, I1 und I2 gelangen zu dem Impe danzbildner 75, der aus den Zeigermeßgrößen eine Impedanzzei ger-Meßgröße Z der Schleifenimpedanz der durch die beiden Phasenleiter 10 und 15 gebildeten Leiter-Leiter-Schleife er mittelt:

Die Impedanzzeiger-Meßgröße Z wird, ebenso wie die Vari anzwerte Vi1, Vi2, Vu1 und Vu2 zu der Korrektureinrichtung 70 übermittelt, die mit den Eingangsgrößen eine Korrektur steuergröße Zkorr ermittelt gemäß

Zkorr = (Ku . (Vu1+Vu2) + Ki . (Vi1+Vi2)) . |Z|

Diese Korrektursteuergröße Zkorr kann als Meßunsicherheit bzw. Meßfehler der Impedanz-Zeigermeßgröße Z aufgefaßt wer den; Ku und Ki geben dabei vorgegebene Faktoren an. Ku kann beispielsweise 4 und Ki 3 betragen. Bei der Wahl der Faktoren Ku und Ki kann beispielsweise die Anzahl der bei der Berech nung der Varianzwerte berücksichtigten Abtastwerte herangezo gen werden.

Die Korrektursteuergröße Zkorr und die Impedanz-Zeigermeß größe Z gelangen zu der Polygon-Auslöseeinrichtung 80, in der mit der Korrektursteuergröße Zkorr ein Auslösegebiet bzw. Auslösepolygon bestimmt wird. Dabei wird von einem maximalen Auslösepolygon, wie es in Fig. 2 durch die durchgezogene Li nie dargestellt ist, ausgegangen. Dieses maximale Auslösepo lygon ist rautenförmig und größenmäßig definiert durch die Werte Rmax, -Rmax, Xmax und -Xmax, wobei ±Rmax bzw. ±Xmax die Schnittpunkte mit den Achsen des Koordinatensystems der kom plexen Ebene bezeichnen. Mit diesen Werten Rmax, Xmax und Zkorr wird nun ein Auslösepolygon bestimmt, das größenmäßig an die Meßgenauigkeit der gemessenen Impedanz-Zeigermeßgröße Z angepaßt ist gemäß:

R = Rmax-Zkorr und X = Xmax - Zkorr,

dabei geben R und X die Schnittpunkte des "neuen", größenmä ßig reduzierten Auslösepolygons - in Fig. 2 strichliert dargestellt - mit den Achsen des Koordinatensystems der kom plexen Ebene an. Man erkennt, daß das "neue" Auslösepolygon um so kleiner ist, je größer die Korrektursteuergröße Zkorr ist bzw. je ungenauer die Impedanz-Zeigermeßgröße Z ist.

Liegt die Impedanz-Zeigermeßgröße Z in dem durch R und X festgelegten neuen Auslösepolygon, so wird ein Fehlersignal S1 an einem Ausgang A80 der Polygon-Auslöseeinrichtung 80 er zeugt.

Im folgenden soll nun anhand von Fig. 3 erläutert werden, wie die Meßeinrichtung 30 im Detail funktioniert:

Die Meßeinrichtung 30 weist eingangsseitig eine Abtastein richtung 100 auf, der an ihrem Ausgang A100 ein Eingang E110 eines ersten digitalen FIR-Filters 110, ein Eingang E115 ei nes zweiten digitalen FIR-Filters 115, ein Eingang E120 eines dritten digitalen FIR-Filters 120 sowie ein Eingang E125A eines Varianzbildners 125 nachgeschaltet ist.

Dem ersten digitalen FIR-Filter 110 ist an seinem Ausgang A110 ein Eingang E130A einer Kontrolleinrichtung 130 nach geordnet, der an einem weiteren Eingang E130B ein Ausgang A115 des zweiten Digitalfilters 115 und an einem zusätzlichen Eingang E130C ein Ausgang A120 des dritten digitalen FIR- Filters 120 vorgeordnet ist. Der Kontrolleinrichtung 130 ist an einem Ausgang A130A der Varianzbildner 125 mit einem weiteren Eingang E125B nachgeordnet. Ein Ausgang A125 des Varianzbildners 125 bildet den einen Ausgang A30A der Meßein richtung 30. Der weitere Ausgang A30B der Meßeinrichtung 30 wird durch einen weiteren Ausgang A130B der Kontrolleinrich tung 130 gebildet.

In der Abtasteinheit 100 werden aus den eingangsseitig anlie genden Strommeßgrößen Mi1, Mi2 und Mi3 sowie aus den Span nungsmeßgrößen Mu1, Mu2 und Mu3 Abtastwerte, u. a. also die Abtastwerte I1k, I2k, U1k, U2k gebildet.

Im folgenden soll nun erläutert werden, wie mit der Anordnung gemäß Fig. 3 mit den Meßgrößen Mi1, Mi2, Mu1 und Mu2 bzw. mit den Abtastwerten I1k, I2k, U1k und U2k die Stromzeiger- Meßgrößen I1 bzw. I2, die Spannungszeiger-Meßgrößen U1 bzw. U2 sowie die Varianzwerte Vi1, Vi2, Vu1 und Vu2 erzeugt wer den. Zur besseren Übersicht wird dies anhand eines einzigen Meßsignals Y(t) erläutert; das Meßsignal Y(t) steht dabei stellvertretend für die Strommeßgrößen Mi1 und Mi2 sowie für die Spannungsmeßgrößen Mu1 und Mu2. Das gleiche gilt entspre chend für in der Abtasteinheit 100 aus dem Meßsignal Y(t) ge bildeten Abtastwerte Yk, die dann entsprechend stellvertre tend für die Abtastwerte I1k, I2k, U1k und U2k stehen, und für einen Varianzwert V, der die Varianzwerte Vi1, Vi2, Vu1 und Vu2 vertritt.

Die in der Abtasteinheit 100 aus dem elektrischen Meßsignal Y(t) gebildeten Abtastwerte Y_k gelangen zu dem ersten digita len FIR-Filter 110, in dem aus den Abtastwerten Y_k eine Amplitude A eines ersten mit der Grundfrequenz ω₀ des Meßsi gnals Y(t) schwingenden Meßwertanteils A.sin(ω₀kT_A) herausge filtert wird; dieser erste Meßwertanteil ist also ein sinus förmig schwingender Meßwertanteil.

Zusätzlich werden die Abtastwerte Y_k zu dem zweiten digitalen FIR-Filter 115 übertragen, in dem eine Amplitude eines mit der Grundfrequenz Wo des Meßsignals Y(t) schwingender zweiter Meßwertanteil C.cos(ω₀kT_A) herausgefiltert wird, der cosi nusförmig schwingt und somit zu dem ersten Meßwertanteil or thogonal ist.

Die Abtastwerte Y_k gelangen außerdem zu dem dritten digitalen FIR-Filter 120, in dem aus den Abtastwerten Y_k eine Amplitude B eines dritten Meßwertanteiles B(cos(ω₀kT_A)-e^-t/ ^τ) herausge filtert wird, der einen in dem Meßsignal Y(t) enthaltenen ex ponentiell abklingenden Meßsignalanteil B.e^-t/ ^τ berücksich tigt.

Zusammengefaßt werden aus den Abtastwerten Y_k also drei in dem elektrischen Meßsignal Y(t) enthaltene Meßwertanteile er mittelt; dabei wird für die Abtastwerte Y_k also folgendes Si gnalmodell herangezogen:

wobei T_A die Abtastperiodendauer, mit der das elektrische Meßsignal abgetastet wird, τ eine Abklingkonstante, ω₀ die Grundkreisfrequenz des Meßsignals, k die Laufvariable für den Abtastzeitpunkt, ein Koeffizient A die Amplitude des ersten Meßwertanteils, ein Koeffizient B die Amplitude des dritten Meßwertanteils und ein Koeffizient C die Amplitude des zwei ten Meßwertanteils bezeichnet.

Die drei Amplituden A, B und C werden zu der Kontrolleinrich tung 130 übertragen, in der eine Zeigermeßgröße Y für das elektrische Meßsignal Y(t) hinsichtlich Betrag und Phase mit den drei Amplituden A, B und C der drei Meßwertanteile gebil det wird:

Y = (B+C)+jA, mit √-1

Die Zeigermeßgröße Y wird an dem weiteren Ausgang A130B der Kontrolleinrichtung 130 und damit an dem weiteren Ausgang A30B der Meßeinrichtung 30 abgegeben.

In der Kontrolleinrichtung 130 wird darüber hinaus ein Warn signal 52 erzeugt, wenn die Amplitude B des dritten Meßwert anteils ein vorgegebenes Vielfaches N1 des Betrages |Y| der Zeigermeßgröße Y oder ein vorgegebenes Vielfaches N2 des Realteiles (B + C) der Zeigermeßgröße Y überschreitet; es wird also das Warnsignal 52 erzeugt, wenn gilt:

B < N1 . √A² + (B + C)² oder

B < N2 . (B + C)

Das vorgegebene Vielfache N1 kann beispielsweise 1,25 und das Vielfache N2 0,33 betragen.

Falls das Warnsignal S2 erzeugt wird, so wird es an einem zu sätzlichen Ausgang A130C der Kontrolleinrichtung 130 abge geben, der einen zusätzlichen Ausgang A30C der Meßeinrichtung 30 bildet.

In der Kontrolleinrichtung 130 werden aus den drei Amplituden A, B und C außerdem Kontrollwerte Y'_k erzeugt gemäß der Glei chung:

Die Kontrollwerte Y_k' können also als rückgerechnete Ab tastwerte aufgefaßt werden.

Die Kontrollwerte Y'_k werden zu dem Varianzbildner 125 über tragen und dort den Abtastwerten Y_k jeweils zeitlich zugeord net. Anschließend wird ein Varianzwert V errechnet gemäß

wobei n die Anzahl der herangezogenen Abtast- bzw. Kontroll werte bezeichnet (n = 5 . . . 15) und F die Größe einer Quanti sierungsstufe beim Abtasten des Meßsignals Y(t) angibt; im Falle eines Spannungssignals ist bei 100 Quantisierungsstufen pro 1 V die Größe der Quantisierungsstufe beispielsweise 10 mV.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele für das erste digitale Filter 110, das zweite digitale Filter 115 sowie das dritte digitale Filter 120 in Form von Amplituden und Phasen gängen. Die drei Filter 110, 115 und 120 sind als fünfstufige FIR-Filter ausgeführt; die Filterkoeffizienten lassen sich der nachstehenden Tabelle entnehmen:

Die drei FIR-Filter 110, 115 und 120 bilden die Amplituden A, B und C der Meßwertanteile also gemäß folgenden Gleichungen:

Man erkennt, daß die drei Amplituden A, B und C also zeitab hängige Größen sind; dies wird in den Gleichungen durch die Laufvariable k berücksichtigt.

Die Filterkoeffizienten a0, a1, a2, a3 und a4 wurden unter Ver wendung des bekannten Programmpakets Matlab® (THE MATH WORKS Inc. Natick, Mass., USA) mit folgender Matlab®-Quelldatei erzeugt:

Wie sich der Datei entnehmen läßt, sind die Filter 110, 115 und 120 als Optimalfilter zur Ausfilterung der jeweiligen Signalanteile entworfen. Der Entwurf von Optimalfiltern im allgemeinen läßt sich der einschlägigen Fachliteratur entneh men (s. beispielsweise Thomas P. Krauss, Loren Shure, John N. Little, THE MATH WORKS Inc. "Signal Processing Toolbox"; Hel mut Schwarz, "Optimale Regelung und Filterung", Akademie-Ver lag Berlin, 1981, Seiten 100 bis 116; Jürgen Wede und Diet rich Werner, "Echtzeitprozeßmodelle auf der Basis von Parame terschätzverfahren", VEB Verlag Technik Berlin, 1985, Seiten 30 bis 35; Jürgen Wernstedt, "Experimentelle Prozeßanalyse", VEB Verlag Technik Berlin, 1989).

Die Anordnung gemäß Fig. 3 kann teilweise beispielsweise durch eine entsprechend programmierte DV-Anlage gebildet sein.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals(51), das einen Leiter (10) einer Wechselstrom-Energieübertragungsleitung (5) als von einem Kurzschluß betroffen kennzeichnet, bei dem

- eine dem durch den Leiter (10) fließenden Strom (I1(t)) proportionale Strommeßgröße (Mi1) abgetastet und unter Bildung von Stromabtastwerten (I1k) digital gewandelt wird,
- ein der an dem Leiter (10) anliegenden Leiter-Spannung (U1(t)) proportionale Spannungsmeßgröße (Mu1) abgetastet und unter Bildung von Spannungsabtastwerten (Ulk) digital gewandelt wird,
- die Abtastwerte (U1k, I1k) für Strom und Spannung jeweils in einem ersten digitalen Filter (110) unter Bildung jeweils einer Amplitude (A) eines ersten mit der Grundfrequenz (ω₀) der jeweiligen Meßgröße (Mi1, Mu1) schwingenden Meßwertan teils (A.sin(ω₀kT_A)) gefiltert werden,
- die Abtastwerte (U1k, I1k) für Strom und Spannung jeweils in einem zweiten digitalen Filter (115) unter Bildung jeweils einer Amplitude (C) eines mit der Grundfrequenz (ω₀) der jeweiligen Meßgröße (Mi1, Mu1) schwingenden zweiten Meß wertanteils (C.cos(ω₀kT_A)) gefiltert werden, wobei der zweite Meßwertanteil (C.cos(ω₀kT_A)) zu dem jeweils zugeord neten ersten Meßwertanteil (A.sin(ω₀kT_A)) jeweils orthogo nal ist, und
- das Fehlersignal (S1) erzeugt wird, wenn ein mindestens mit den beiden Amplituden (A, C) der jeweiligen Meßwertanteile von Strom und Spannung gebildeter Impedanzwert (Z) inner halb eines vorgegebenen Auslösepolygons liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
- für Strom und Spannung unter Heranziehung mindestens der beiden Amplituden (A, C) der jeweiligen beiden Meßwertan teile unter Berücksichtigung eines angenommenen zeitlichen Verlaufs des jeweiligen Meßwertanteils jeweils Kontroll werte ermittelt werden, die den jeweiligen Abtastwerten je weils zeitlich zugeordnet werden, und
- aus der Differenz zwischen den Kontrollwerten und den je weils zugeordneten Abtastwerten für Strom und Spannung je weils ein Varianzwert (Vi1, Vu1) gebildet wird und
- das Fehlersignal (S1) erzeugt wird, wenn der Impedanzwert (Z) innerhalb eines hinsichtlich seiner Größe mit den bei den Varianzwerten (Vi1, Vu1) gebildeten Auslösegebietes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Abtastwerte (11k, U1k) für Strom und Spannung jeweils in einem dritten digitalen Filter (120) unter Bildung jeweils einer Amplitude (B) eines dritten Meßwertanteils (B.(cos(ω₀kT_A)-e^-t/ ^τ))gefiltert werden, der einen in der jeweiligen Meßgröße (MI1, MU1) enthaltenen, exponentiell abklingenden Meßsignalanteil (B.e^-t/ ^τ) berücksichtigt, und
- der Impedanzwert sowie die Kontrollwerte jeweils unter Heranziehung der drei Amplituden (A, B, C) aller drei Meß wertanteile ermittelt werden, wobei bei der Ermittlung der Kontrollwerte der angenommene zeitliche Verlauf des jewei ligen Meßwertanteils berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- zum Ermitteln der Meßwertanteile ein deren zeitlichen Ver lauf angebendes Signalmodell für die Strom- und Spannungs meßgröße (MI1, MU1) herangezogen wird gemäß
wobei TA die Abtastperiodendauer, mit der Strom- und Spannung abgetastet werden, τ eine Abklingkonstante, ω₀ die Kreisfre quenz der Grundwelle von Strom und Spannung, k die Laufvaria ble für den Abtastzeitpunkt, ein Koeffizient A die Amplitude des ersten Meßwertanteils, ein Koeffizient B die Amplitude des dritten Meßwertanteils, ein Koeffizient C die Amplitude des zweiten Meßwertanteils und Y_k die Abtastwerte von Strom oder Spannung bezeichnen, indem
- als das erste Filter (110) jeweils ein Filter verwendet wird, das den Koeffizienten A ausgibt,
- als das zweite Filter (115) jeweils ein Filter verwendet wird, das den Koeffizienten C ausgibt und
- als das dritte Filter (120) jeweils ein Filter verwendet wird, das den Koeffizienten B ausgibt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

1. mit den Strom- und Spannungsabtastwerten (I1k, U1k) jeweils eine Stromzeiger-Meßgröße (I1) und eine Spannungszeiger- Meßgröße (U1) gebildet wird und
2. ein Warnsignal (52) erzeugt wird, wenn für Strom oder Span nung die jeweilige Amplitude (B) des dritten Meßwertanteils (B.cos(ω₀kT_A)-e^-t/ ^τ)) ein vorgegebenes Vielfaches (N1) des Betrages der jeweiligen Zeigermeßgröße (|I1|, |U1|) oder ein vorgegebenes Vielfaches (N2) des Realteiles der jewei ligen Zeigermeßgröße (I1, U1) überschreitet.