DE19954950A1 - Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses in Verteilnetzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses in elektrischen Verteilnetzen. Dabei wird zunächst in konventioneller Weise ein Grenzwert wenigstens einer gewählten Kenngröße festgelegt, jeweils seine - je nach Kenngrößenart - Unter- oder Überschreitung überwacht und zur Kurzschlußerkennung verwendet. DOLLAR A Zur Verbesserung der Unterscheidung zwischen Kurzschlüssen und lediglich kurzschlußähnlichen Ereignissen wird außerdem ein Unsicherheitsbereich der Werte der jeweiligen Kenngröße festgelegt. Dabei werden innerhalb diesem Unsicherheitsbereich auftretende Werte der Kenngröße unter Verwendung künstlicher neuronaler Netze, denen fortlaufend aus geeigneten Meßwerten ermittelte diskrete Abtastwerte zugeführt werden, bezüglich des Vorliegens einer Kurzschlußsituation beurteilt, und es wird durch kombinierte Auswertung der Ergebnisse dieser Grenzwert- und Unsicherheitsbereich-Überwachungen auf das Vorliegen eines Kurzschlusses geschlossen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses in elektrischen Verteilnetzen, insbesondere der 10 kV bis 20 kV Spannungsebene sowie die sichere Unterscheidung eines solchen Ereignisses von einem betriebsmäßigen Überstrom (z. B. durch Motoranlauf) zur selektiven Abschaltung eines eventuellen Fehlers.

In Energieverteilungs- und Übertragungsnetzen sind zur Wahrung der Versorgungs­ qualität und zum Schutz der Betriebsmittel Schutzeinrichtungen im Einsatz, deren Aufgabe darin besteht, einen eventuellen Fehler auf einer Übertragungsleitung oder an einem Betriebsmittel, dem sie zugeordnet sind, zu erkennen und gegebenenfalls deren selektive Abschaltung zu veranlassen.

Das Funktionsschema einer solchen Schutzeinrichtung läßt sich grundsätzlich in die Einzelaufgaben

• - Erkennung eines eventuellen Fehlers,
• - Klassifikation des Fehlers,
• - Ortung des Fehlers, sowie
• - Möglichst selektives Abschalten der fehlerhaften Komponente

einteilen, welche nacheinander abgearbeitet werden. Die Erfindung bezieht sich auf den 1. Teil, die Erkennung eines eventuellen Fehlers.

Moderne Schutzeinrichtungen basieren auf digitaler Rechentechnik, d. h. geeignete Rechenverfahren analysieren die gemessenen Strom- und/oder Spannungssignale einer zu schützenden Leitung oder Komponente und treffen eine Entscheidung, ob ein Kurzschluß vorliegt oder nicht.

Folgende Verfahren sind bekannt:

• 1. Überstromerkennung, d. h. der Strom in den drei Leitern eines Drehstromnetzes wird kontinuierlich überwacht und bei Überschreiten eines zuvor festzulegenden Grenzwertes erfolgt - gegebenenfalls mit einer geringfügigen Zeitverzögerung - die Fehlermeldung.
• 2. Unterimpedanzmessung, d. h. aus den Strom- und Spannungswerten an der Meßstelle wird anhand geeigneter Rechenverfahren kontinuierlich eine Impedanz bestimmt. Wenn der Impedanzwert einen zuvor eingestellten Grenzwert unter­ schreitet, wird dies als Kriterium für einen Kurzschluß angesehen.
• 3. Erdstromerkennung, d. h. die Summe des Stromes in den 3 Phasen wird kontinu­ ierlich überwacht und ein Überschreiten eines festzulegenden Grenzwertes wird als Kriterium für einen Fehler angesehen. Dieses Verfahren funktioniert nur bei Fehlern mit Erdberührung.
• 4. "I über di Erkennung", d. h. der Momentanwert sowie die mathematische Ableitung des Stromes nach der Zeit wird kontinuierlich überwacht. Wenn eine zuvor fest­ zulegende Fläche in einem entsprechenden Diagramm geschnitten wird, ist dies ein Kriterium für einen Kurzschluß. Dieses Verfahren findet insbesondere bei dem bekannten Is-Begrenzer Anwendung.
• 5. Kontinuierliche Prädiktion der Stromwerte, d. h. es wird mit Hilfe geeigneter Ver­ fahren kontinuierlich zum Zeitpunkt t ein Stromwert für den Zeitpunkt t + Δt be­ rechnet. Zum Zeitpunkt t + Δt ist der tatsächliche Stromwert als Meßwert vorhan­ den. Übersteigt die Differenz von Schätzwert und Meßwert einen zuvor festzule­ genden Betrag, ist dies ein Kriterium für einen Kurzschluß. Als geeignete Schätz­ verfahren werden in der Literatur u. a. neuronale Netze, aber auch Korrelations­ verfahren erwähnt.
• 6. Differenzenverfahren, d. h. die Ein- und Ausgangssignale eines zu schützenden Betriebsmittels werden kontinuierlich verglichen. Übersteigt die Differenz zwi­ schen Ein- und Ausgang unter Berücksichtigung der im normalen Betrieb auftre­ tenden Unterschiede einen festzulegenden Wert (es können z. B. Ströme, aber auch Leistungen miteinander verglichen werden), wird dies als Kriterium für einen Kurzschluß verwandt.

Nachteil dieser bekannten Verfahren ist, daß sie die Entscheidung, ob ein Kurz­ schluß vorliegt oder nicht, letztendlich anhand eines vom Anwender anzugebenden Grenzwertes treffen. Zur sicheren Abgrenzung eines Kurzschlusses von einem be­ triebsmäßigen und kurzzeitigen Überstrom ist es notwendig, daß ein eventueller Kurzschlußstrom deutlich über dem betriebsmäßigen Überstrom liegt. Dies ist in Übertragungsnetzen der Spannungsebene 110 kV und darüber in der Regel gege­ ben, bei Verteilnetzen der Spannungsebenen < = 20 kV kann dies nicht vorausgesetzt werden, insbesondere, wenn diese in einer geschlossenen Ringstruktur betrieben werden.

Bezüglich einer möglichst kurzen Unterbrechung der Energieversorgung im Fehler­ falle ist eine geschlossene Ringstruktur aufgrund der hier vorhandenen Redundanz allerdings sehr vorteilhaft, wird aber von den meisten Netzbetreibern aus den oben genannten Gründen nicht praktiziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kurzschlußerken­ nung in elektrischen Verteilnetzen anzugeben, das eine verbesserte Unterscheidung zwischen Kurzschlüssen und lediglich kurzschlußähnlichen Ereignissen im Netz er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses in Ver­ teilnetzen gelöst, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmaie aufweist. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben und der weiteren Beschreibung, insbesondere anhand der Fig. 1 zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt ein Funktionsschema zum erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei werden Meßwerte sowohl einer Einrichtung zur konventionellen Kurzschlußerkennung zu­ geführt, als auch neuronalen Netzen. Die durch Grenzwerte festgelegten Wertebe­ reiche für die Entscheidungszone "Fehler" bzw. "kein Fehler" sind enger als bei be­ kannten Verfahren wählbar, da ein zusätzlicher, dazwischen liegender Bereich "viel­ leicht Fehler" definiert wird, innerhalb dem mittels der neuronalen Netze entschieden wird, ob ein Fehler (Kurzschluß) vorliegt. Mittels eines nachgeschalteten Auswertung der Ergebnisse der beiden Entscheidungspfade erfolgt eine sichere Entscheidung, ob eine Fehlersituation vorliegt.

Besonders vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Adaption der oben genannten Me­ thode 4 (i über di), der quasi ein auf künstlichen neuronalen Netzen basierender Ent­ scheidungspfad parallel geschaltet wird.

Im i/di-Diagramm werden anstelle der bisher verwendeten 2 Entscheidungszonen ("Fehler" - "kein Fehler") insgesamt 3 Zonen eingeführt, nämlich: "Fehler" - "vielleicht Fehler" - "kein Fehler". Falls die dritte Zone "vielleicht Fehler" geschnitten wird, sind für jeden der 3 Leiter die Meßwerte der Leiterströme sowie deren Ableitung je einem künstlichen neuronalen Netz als diskrete Abtastwerte zuzuführen, wobei das Daten­ fenster sowohl einen Zeitbereich vor als auch nach Fehlereintritt beinhaltet. Für den Fall einer Abtastfrequenz von 1 kHz würden sich bei einem betrachteten Zeitbereich von 10 ms vor und 10 ms nach Fehlereintritt eine Datenfensterbreite von 20 ms mit 20 Abtastwerten ergeben.

Anhand des in einem Anlernprozeß erworbenen "Wissens", das insbesondere auch die typischen Verläufe von kurzschlußähnlichen Ereignissen umfaßt, ist das neuro­ nale Netz in der Lage, das fragliche Ereignis in die Kategorie "Fehler" bzw. "kein Fehler" einzuordnen. Ein mit dem Backpropagation-Algorithmus angelerntes Multi­ layer-Perceptron mit maximal 2 Zwischenschichten ist ein geeigneter Typ vom neu­ ronalen Netz für eine solche Aufgabe.

Der Anlernprozess eines solchen neuronalen Netzes, der vor Inbetriebnahme einer solchen Schutzeinrichtung obligatorisch ist, muß zunächst anhand einer geeigneten Zahl (< 500) von digitalen Simulationen entsprechender Ereignisse im Netz erfolgen. Diese Ereignisse müssen sowohl Kurzschlüsse als auch kurzschlußähnliche Ereig­ nisse umfassen.

In einem weiteren Schritt besteht die Möglichkeit, ein neuronales Netz anhand realer Meßdaten nachlernen zu lassen, somit zu optimieren und den Gegebenheiten der jeweiligen Netzumgebung anzupassen. Dies kann einerseits anhand bereits vorhan­ dener Aufzeichnungen von Meßdaten geschehen, die allerdings eher selten zur Verfügung stehen. Eine vorteilhaftere Variante ist, die Schutzeinrichtung mit einem Speicher für die Meßwerte von Ereignissen im Netz zu versehen. Wenn genügend Ereignisse aufgetreten sind, können diese in einem individuellen Lernprozess zur automatischen Optimierung des neuronalen Netzes verwendet werden. Dies ist ins­ besondere in industriellen Netzen von Vorteil, wo sehr charakteristische Rückwirkun­ gen von Motoren auftreten, die in jedem Netz verschieden sein können.

Das hier für die Methode 4 beschriebene Verfahren ist prinzipiell auch auf Methode 1 und 2 anwendbar, d. h. anstelle eines festen Grenzwertes wird eine Unsicherheitszo­ ne für zweifelhafte Entscheidungen definiert, die von einem neuronalen Netz getrof­ fen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses in elektrischen Verteilnet­ zen, wobei

• a) ein Grenzwert wenigstens einer gewählten Kenngröße festgelegt, jeweils seine - je nach Kenngrößenart - Unter- oder Überschreitung überwacht und zur Kurzschlußerkennung verwendet wird,
• b) zusätzlich ein Unsicherheitsbereich der Werte der jeweiligen Kenngröße festgelegt wird, wobei innerhalb diesem Unsicherheitsbereich auftretende Werte der Kenngröße unter Verwendung künstlicher neuronaler Netze, de­ nen fortlaufend aus geeigneten Meßwerten ermittelte diskrete Abtastwerte zugeführt werden, bezüglich des Vorliegens einer Kurzschlußsituation beur­ teilt werden, und
• c) durch kombinierte Auswertung der Ergebnisse dieser Grenzwert- und Unsi­ cherheitsbereich-Überwachungen auf das Vorliegen eines Kurzschlusses geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ein­ satz eines verfahrensgemäß arbeitenden Kurzschlußerkennungssystems, dessen neuronalen Netz oder Netzen in einer Anlernphase eine ausreichende Zahl von Meßwerten oder Werten aus digitalen Simulationen, sowohl von Kurzschlußereignis­ sen, als auch von davon zu unterscheidenden kurzschlußähnlichen Ereignissen zu­ geführt werden.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kenngrößen sowohl Momentanwerte des elektrischen Stromes oder der Impedanz oder des Erdstromes als auch jeweils die mathematische Ablei­ tung nach der Zeit verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein mit dem Backpropagation-Algorithmus angelerntes Multilayer- Perceptron mit zwei Zwischenschichten als geeigneter Typ neuronaler Netze ver­ wendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Anwendung des Verfahrens eine Optimierung durchge­ führt wird, wobei in einem Speicher erfaßte Meßergebnisse mehrerer realer Ereignis­ se für einen wiederholten Lernprozess der neuronalen Netze verwendet werden.