-
Erfindungsgebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf die elektrische Energietechnik, und zwar auf Relaisschutz- und Automatiksysteme. Die Erfindung trägt dazu bei, die Kosten für die Umsetzung dieser Systeme zu senken, ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen und ihren Betrieb zu vereinfachen. Die Erfindung schlägt ein alternatives Verfahren zur Umsetzung des Konzepts einer „digitalen Unterstation“ vor, das in jüngster Zeit entwickelt worden ist. Das Verfahren wird durchgeführt, ohne ein lokales LAN-Netzwerk verwenden zu müssen. Das LAN-Netzwerk ist für die Realisierung und das Einrichten zu kompliziert. Außerdem wird auf Datenübertragungsprotokolle sowie auf die Organisation der damit zusammenhängenden Prozeduren verzichtet.
-
Stand der Technik
-
Die herkömmlichen Relaisschutz- und Automatikeinrichtungen umfassen logisch vollständige Teile, die funktionsmäßig komplett und leicht zu prüfen sind. Daraus ergeben sich ein absoluter Vorteil solcher Schutzsysteme und die Grundlage ihrer hohen Funktionsfähigkeit. Für jeden einzelnen dieser Teile gibt es strikte Regeln für die Konstruktion, die Umsetzung und die Prüfung. Genau diese Eigenschaften bestimmen die Funktionssicherheit und sind Grund dafür, dass sich der Fortschritt im Bereich Relaisschutz und Automatik hauptsächlich im Auswechseln von elektromechanischen Relais durch elektronische oder ähnliche mikroprozessorgesteuerte Komponenten äußert.
-
Derartige Entwicklungsschritte ermöglichen es, das Prinzip der Einzelprüfung sowie der Fehlersuche aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus können dadurch auch die Anforderungen an das Wartungspersonal vereinfacht werden. Dabei bedürfen die Entwicklungsschritte einer größeren Aufmerksamkeit in Bezug auf die Störsicherheit und die Anwendung von z. B. einem abgeschirmten Kabel. Neue Technologien der Datenübertragung und der Fortschritt in Bezug auf die Leistung der datenverarbeitenden Anlagen veranlassen dazu, neue Entwicklungswege einzuschlagen. Die größten Anstrengungen der Gelehrten, die auf dem Gebiet des Relaisschutzes tätig sind, sind auf die Erarbeitung eines Konzepts der so genannten „digitalen Unterstation“ gerichtet. Eine digitale Unterstation, ein feststehender Begriff, setzt eine Reduzierung von Kabelverbindungen und den Übergang zur Übertragung der Schaltplanzustandsdaten über LAN-Netzwerke voraus. Dabei werden eigens entwickelte Netzwerkgeräte sowie spezielle Datenübertragungsprotokolle eingesetzt. Mit einer digitalen Unterstation können solche Vorteile erzielt werden wie:
- - die Verringerung des Kabelbestands,
- - die Flexibilität bei der Änderung der Funktionslogik der Schutzsysteme,
- - eine hohe Konzentration der Schutzfunktionen in einer Einrichtung und
- - die Möglichkeit, anspruchsvollere Funktionen umzusetzen.
-
Zugleich entsteht eine Reihe von Nachteilen, die früher dem Relaisschutz nicht inhärent waren, und zwar:
- - es gibt keine Möglichkeit der Einzelprüfung sowie der Fehlersuche mehr,
- - es müssen Fachkräfte für das Einrichten (Konfigurieren) von Netzwerken und Netzwerktechnik eingesetzt werden.
-
Als eine Sondergefahr wird die Gefahr einer Cyberattacke auf das LAN-Netzwerk der digitalen Unterstation angesehen. Dies ist der Grund dafür, dass digitale Unterstationen bei allen ihren potenziellen Vorteilen nur geringfügig industriell eingeführt (umgesetzt) werden. Sämtliche Versuche, digitale Unterstationen weiterzuentwickeln, können den Hauptmangel nicht beseitigen, nämlich die Komplexität der Netzwerkinfrastruktur. Ein Beispiel einer solchen Weiterentwicklung der digitalen Unterstation ist im Patent
JP 5926540 B2 (
US 9444243 B2 ) „Schutz- und Steuerungssystem und eine Zusammenführung (Merging Unit) dafür“ angeführt. Eine ähnliche Vorrichtung in Bezug auf die Ausführung ist im Patent
RU 2468407 „Automatisiertes Überwachungs-, Schutz- und Steuerungssystem für Anlagen (Ausstattung) eines Umspannwerks“ beschrieben. Diese Erfindung stellt ein klassisches Muster einer digitalen Unterstation dar. Diese digitale Unterstation wird weltweit auf Grundlage eines Ethernet-Netzwerks vermarktet und basiert auf einem internationalen Protokoll IEC 61850. Die oben genannte Vorrichtung kann zum Prototyp gewählt werden. Der Prototyp umfasst Sensoren, die technische Daten von den Anlagen eines Umspannwerks senden und die mit Signalumsetzern verbunden sind. Die Signalumsetzer setzen elektrische in optische Signale um. Die Umsetzer sind an einen optischen Datenbus angeschlossen. Auf diesem Datenbus sind auch die Signalumsetzer angeordnet, die elektrische in optische Signale umsetzen. Diese Umsetzer sind wiederum an die Überwachungs-, Schutz-, Erfassungs- und Steuerungsvorrichtung der Anlagen des Umspannwerks angeschlossen. Diese Steuerungsvorrichtung ist als Servercluster ausgeführt. Dieses Servercluster besteht aus mehreren Computern. Diese sind in ein einheitliches System mit Hilfe eines internen Datenbusses des Clusters vereinigt. Zum Vorteil des Prototyps gehört die Verwendung eines optischen Übertragungsmediums. Das optische Übertragungsmedium ist vor dem Einfluss elektromagnetischer Störungen geschützt. Um diesen Vorteil zu erreichen, werden komplizierte technische Lösungen eingesetzt. Dadurch wird die Verbreitung dieser Technologie beeinträchtigt. Die im Prototyp verwendeten Sensoren, die technische Daten von den Anlagen des Umspannwerks senden und die mit den Signalumsetzern verbunden sind, die elektrische in optische Signale umsetzen, sind technologisch komplizierte Objekte. Abgesehen von deren Hauptaufgabe, Werte zu messen (berechnen), lösen die Sensoren auch eine andere Aufgabe, und zwar bereiten sie die Daten für die Übertragung in digitaler Form nach dem Übertragungsprotokoll IEC 61850 vor. Die Software-Realisierung vom IEC 61850 umfasst die Umsetzung einer Reihe von Normen zur Datenübertragung (MMS ISO 9506, Protokollstapel ISO, GOOSE und GSSE). Dies resultiert in der Notwendigkeit, im Aufbau eines solchen Sensors datenverarbeitende Anlagen von beachtlicher Leistung zu benutzen. Außerdem bedarf dies eines großen Umfangs an dem zu entwickelnden Quelltext. Der optische Datenbus gemäß dem Prototyp weist eine Stern- oder Ring-Struktur auf und muss aus Switches bestehen, die für die Datenübertragung nach dem Übertragungsprotokoll IEC 61850 vorbereitet sind. Dadurch wird ein zusätzlicher Kostenaufwand wegen der Software, der Prüfung sowie der Zertifizierung der Switches verursacht. Die Steuerungsvorrichtung gemäß dem Prototyp umfasst ein ganzes Servercluster, das mit Hilfe eines internen Datenbusses des Clusters vereinigt ist. Dazu werden nicht nur Ressourcen für die Lösung der Steuerungsaufgaben benötigt, sondern es bedarf auch beträchtlicher Ressourcen, die für die Synchronisierung von sämtlichen Geräten des Clusters und die Organisation der Datenübertragung innerhalb des Clusters eingesetzt werden. Die genannten technischen Probleme, die sowohl in der Entwicklungsstufe als auch während des Betriebs entstehen, wie kostspielige Komponenten und Software, all dies sind Gründe dafür, dass digitale Unterstationen nur geringfügig industriell eingeführt werden. Bei der Entwicklung gehört die Weiterentwicklung des internationalen Protokolls 61850 zum Schwerpunkt. Seit seinem Auftritt im Jahr 2001 wurde dieses Protokoll über vierzigmal modernisiert, konnte jedoch ein zunehmendes Wachsen der Anzahl von digitalen Unterstationen nicht gewährleisten.
-
Im Hinblick auf eine Reihe von Merkmalen kann die vorliegende Erfindung der Kategorie digitale Unterstationen zugeordnet werden. Die Erfindung ermöglicht es, sämtliche Vorteile einer digitalen Unterstation zu erreichen. Zugleich weist sie einige grundsätzlich neue Lösungen auf. Dank dieser Lösungen können die Probleme der bestehenden digitalen Unterstationen sowie die bestehenden Probleme des Prototyps vermieden werden. Als gemeinsame Lösung sowohl für den Prototyp als auch für die vorliegende Erfindung sollte die Inanspruchnahme des optischen Übertragungsmediums als einer der verfügbarsten und sichersten Informationsumgebung unter Berücksichtigung einer herausfordernden elektromagnetischen Umgebung an den Objekten der elektrischen Energietechnik angesehen werden. Der Hauptunterschied, der die Erfindungshöhe der vorliegenden Erfindung begründet, besteht in dem Verzicht auf die Datenübertragungsprotokolle und in der Anwendung des Prinzips der Frequenzmodulation der Impulse im optischen Medium. Dadurch wird der Ansatz zur Realisierung einer digitalen Unterstation grundsätzlich geändert. Die positiven Merkmale von allen vorbekannten Lösungen, wie z. B. hohe Störsicherheit des optischen Übertragungsmediums, werden aufrechterhalten. Gleichzeitig werden die Mängel der früher eingesetzten Systeme behoben.
-
Der Hauptmangel des Prototyps besteht in der Komplexität der Einrichtungen, die die Information zur Übertragung im optischen Medium vorbereiten. In der vorgeschlagenen Erfindung dient zu diesem Zweck ein herkömmlicher optischer Impulsgenerator. Der Generator wird von einem Prozessparameter des Stromnetzes gesteuert, und zwar Spannung, Strom oder Status eines vernetzten (angeschlossenen) Schaltgeräts. Ein solcher Generator kann sowohl mit Hilfe der analogen Schaltungstechnik als auch anhand von programmierbaren logischen Anordnungen oder Mikroprozessorgeräten von geringer Rechenleistung umgesetzt werden. Zum Unterschied vom Prototyp kann der Generator ohne Eigensoftware ausgeführt werden, die eingerichtet werden muss. Der Einsatz von programmierbaren logischen Anordnungen ermöglicht es, die Fehlertoleranz zu erhöhen und den Energieverbrauch zu reduzieren. Im Gegensatz zum Sensor gemäß dem Prototyp ist der Generator ein massengefertigtes typisiertes Erzeugnis. Er muss nicht an seinem Aufstellplatz eingerichtet und kann für alle Objekte der elektrischen Energietechnik unifiziert werden.
-
Zum zweiten Mangel des Prototyps gehört die Verwendung eines „optischen Datenbusses“. Um einen Datenbus einzurichten, über den sämtliche Daten des Objekts der elektrischen Energietechnik übertragen werden, müssen Datenübertragungsprotokolle mit komplizierten logischen Ebenen eingesetzt werden. Solche Ebenen legen die Abfragetechnik (Polling) und die Datenübertragungsordnung, die Verlinkung mit den Empfängern, eine Kontrolle der Integrität der empfangenen Datenpakete und die Kollisionsfestigkeit fest. In der vorliegenden Erfindung wird der genannte Datenbus nicht benutzt. Die Generatoren senden Impulse nur einseitig gerichtet und nur mit bestimmten Parametern. Dabei wird ein eigener Einzelkanal verwendet. Dadurch werden eine hohe Zuverlässigkeit und eine Einfachheit bei der Entwicklung sowie der Bedienung sichergestellt.
-
Zum dritten Mangel des Prototyps gehört der Bedarf an großen Rechenleistungen der zentralen Einheit. Dieser Bedarf wird durch ein Servercluster gedeckt. Für die vorgeschlagene Erfindung werden bedeutend weniger Rechenressourcen benötigt, weil die Notwendigkeit ausscheidet, die mit dem Datentransport verbundenen Aufgaben zu lösen. Die Verarbeitung der Generatorendaten beschränkt sich auf die Bereitstellung von Zeitgebern. Die Zeitgeber berechnen die Augenblickswerte und werden nach Unterbrechungen verwaltet (interruptgesteuert). Die Unterbrechungen kommen von den Generatoren in Form von optischen Impulsen an.
-
Beim Vergleich der vorliegenden Erfindung mit den einfacheren Relaisschutzeinrichtungen, z. B. mit dem Gebrauchsmuster RU 73557 „Schutzeinrichtung einer elektrischen Anlage“, sei Folgendes bemerkt. Das genannte Gebrauchsmuster kann nicht zum Prototyp gewählt werden, weil es nur auf den Schutz eines einzigen Anschlusses gerichtet ist. Das Gebrauchsmuster kann nicht für einen Knotenpunkt des Stromnetzes von der Größe eines Umspannwerks angepasst werden. Als Grund dafür kann der direkte Anschluss der Stromsensoren an die „Signalverarbeitungseinheit“ genannt werden. Als zweiter Grund ist die Unmöglichkeit zu nennen, die Signalverarbeitungseinheit außerhalb der Anlage einzurichten. Außerdem ist es unmöglich, in diese Signalverarbeitungseinheit Augenblickswerte der Ströme, der Spannungen oder den Status der Schaltgeräte anderer Anschlüsse einzuführen. Dadurch wird die Funktionalität der Einheit auf die Funktionen des Zeit-Strom-Schutzes eingeschränkt. Die Verwendung eines optischen Datenübertragungsmediums ist anhand eines Kopplers „Leuchtdiode - Fotosymistor (Foto-Triac)“ realisiert. Auf Grund dessen können die Schutzfunktionen nur unter der Voraussetzung der Kanalintegrität erfüllt werden. Ein „Dunkelkanal“, d. h. ein Kanal bei fehlendem Steuersignal, und ein verletzter Kanal sind nicht unterscheidbar. In dieser Situation können der Schutz nicht diagnostiziert und ein Störungsfall nicht vermieden werden. Der Einsatz der Frequenzcodierung ermöglicht in diesem Fall, die Störung der Schutzeinheit zu entdecken. Dies ist ein positives Merkmal, das die vorliegende Erfindung von dem genannten Gebrauchsmuster unterscheidet.
-
Die vorgenommene Analyse des Stands der Technik zeigt, dass die Lösung mit der Frequenzcodierung der Prozessparameter des Stromnetzes im optischen Medium eine neue technische Lösung ist. Der Komplexität nach nimmt diese Lösung eine Zwischenstellung zwischen der Datenübertragung im optischen Medium mit dem Einrichten eines LAN-Netzwerks und dem Einsatz von komplexen Übertragungsprotokollen (wie in der Erfindung gemäß der RU 2468407 und anderer ähnlicher Lösungen des Typs „digitale Unterstation“) ein. Andererseits ist die einfachste Signalübertragung im optischen Medium anhand des Kopplers „Leuchtdiode - Fotosymistor (Foto-Triac)“ wie in der Lösung gemäß der RU 73557. Zum Unterschied zur einfachsten Lösung (in der die Vergrößerung der Funktionalität durch die Schaltlösung eingeschränkt wird) und der Lösung mit dem Einsatz vom Protokoll IEC 61850 (bei dem die Schaltplan-Erweiterung durch das LAN-Netzwerk eingeschränkt ist), ermöglicht die Lösung mit der Anwendung der Frequenzcodierung, Relaisschütze auszuführen. Dies erfolgt mit dem maximalen Einsatz der Rechenleistung moderner Mikroprozessoren für die algorithmische Umsetzung der Funktionen der Schutzeinrichtungen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Aufrechterhaltung der Eigenschaften (Merkmale), die herkömmliche Relaisschutzeinrichtungen kennzeichnen, wie z. B. die Möglichkeit, normierte Einzelprüfungen durchzuführen. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, positive Eigenschaften einer digitalen Unterstation zu erreichen. Dazu gehören z. B. der Verzicht auf einen viel Platz beanspruchenden Kabelbestand und die Möglichkeit, sämtliche Schutz- sowie Steuerfunktionen in einer Einrichtung zu konzentrieren. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf den Versuch verzichtet wird, sämtliche notwendige Informationen über ein gemeinsames LAN-Netzwerk mit einem komplexen Aufbau zu übertragen. Nach der Terminologie des Protokolls IEC 61850 wird so ein Netzwerk „Prozessbus“ bezeichnet. Bei Betrachtung der Prinzipien, nach denen die Datenübertragung von den Signalquellen zu der zentralen datenverarbeitenden Einheit ausgeführt wird, wird Folgendes offensichtlich: Dem Bedarf an der Erstellung und Weiterentwicklung der Datenübertragungsprotokolle liegt das Bestreben zugrunde, eine hohe Datenreduktion der zu übertragenden Information mit einer geringen Anzahl von Übertragungskanälen sicherzustellen. Dieses Prinzip der Organisation der Datenübertragung stammt aus dem Bereich der Telekommunikationssysteme, bei denen die Beschränktheit und die Kostspieligkeit der Übertragungskanäle zur Notwendigkeit der Übertragung nach dem Multiplexverfahren (Multiplexübertragung) führen. Für Objekte der elektrischen Energietechnik (der Energieerzeugung), wie Umspannwerke, übersteigt der Abstand zur Signalquelle von der zentralen Anlage, durch die die Steuerung durchgeführt wird, im ungünstigsten Fall nicht zwei Kilometer. Dies ermöglicht es dem Entwickler, sich nicht allein auf die Anzahl der Übertragungskanäle zu beschränken, sondern kostengünstige optische Übertragungskanäle unter Einsatz eines Lichtleitkabels mehrfach zu verwenden.
-
Bei der Aufhebung der Begrenzung in Bezug auf die Anzahl der Übertragungskanäle ist es sinnvoll, von der Erfahrung, die im Bereich Telekommunikation gesammelt wurde, zur Erfahrung, die im Bereich Rundfunk zum Einsatz kommt, überzugehen. Im Bereich Rundfunk kommt es darauf an, dass ein Mechanismus zur Selektion (Extraktion) der benötigten Information im vorliegenden Informationsraum vorhanden ist. Die Datenreduktion ist hierbei nicht wichtig. Der Mechanismus zur Codierung der Information über den Schaltplanzustand, der mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, ist in vieler Hinsicht dem Mechanismus der Informationsübertragung über die Funkkanäle unter Einsatz der Frequenzmodulation ähnlich. In der vorliegenden Erfindung wird von der auf dem einschlägigen Gebiet der Technik gesammelten Erfahrung Gebrauch gemacht. Die Erfindung ermöglicht, die gestellten technischen Aufgaben mit einem minimalen Kostenaufwand, einer hohen Funktionssicherheit und einem einfachen Betrieb zu lösen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Zum Gegenstand der Erfindung gehört eine Relaisschutz- und Automatikeinrichtung des Knotenpunkts eines Stromnetzes. Diese Einrichtung umfasst:
- - optische Impulsgeneratoren. Die Impulsfolgefrequenz hängt von der Größe der Augenblickswerte der Spannungen, Ströme oder von den Zuständen der Schaltgeräte des Stromnetzes ab;
- - optische Übertragungskanäle. Über diese Kanäle werden Impulse in die optischen Ports eines mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks übertragen;
- - ein mikroprozessorgesteuertes Rechenwerk. Dieses führt die Umwandlung der Impulsfrequenzen in Augenblickswerte der Parameter des Stromnetzes aus. Außerdem erzeugt das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk gemäß dem vorgegebenen Algorithmus Impulse der vorgegebenen Frequenz, um diese über die Übertragungskanäle zu den Schaltelementen des Stromnetzes zu senden. Die Impulserzeugung erfolgt über die optischen Ausgabeports. Die Elemente des Stromnetzes ändern ihren Status je nach der Frequenz der ankommenden (eingegangenen) Impulse.
-
Der Hauptunterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber den sämtlichen früher eingesetzten Lösungen ist der folgende: In den optischen Übertragungskanälen wird die Datenverschlüsselung nicht verwendet, die auf irgendwelchen Datenübertragungsprotokollen oder Datagrammen basiert. Dank der Frequenzmodulation der zu übertragenden Prozessparameter ist die Transportverzögerungszeit der gemessenen Größe am Eingang des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks der Periode der Impulsfolgefrequenz gleich. Frequenzen von einigen 10 kHz und mehr reichen aus, um die Schutz- und Automatikaufgaben sowohl in Skalar- als auch in Vektorform zu lösen.
-
In der einfachsten Variante wird für jeden Messwert ein eigener Übertragungskanal verwendet. Die Entwicklungsvarianten der Erfindung sehen vor, dass die zu übertragende Information aufgrund des Übertragungsmediums eines Glasfaser-Übertragungskanals in mehreren optischen Spektralbereichen reduziert wird. Außerdem sind Entwicklungsvarianten der Erfindung möglich, bei denen ein optisches Signal an mehrere Empfänger unter Einsatz von optischen Verteilern (Splittern) geliefert werden kann. In diesem Fall kann der Schaltplan teilweise verdoppelt werden, und zusätzliche Prüfschaltungen können aufgebaut werden. Um die Darlegung zu erleichtern, wird ferner die einfachste Ausführungsform der Einrichtung verwendet. Die Stromschutzeinrichtungen werden mit Hilfe von mindestens einem Strom-Messkanal aufgebaut. Die Spannungsschutzeinrichtungen werden mit Hilfe von mindestens einem Spannungs-Messkanal aufgebaut. Generell ist die Anzahl der Kanäle zur Spannungsmessung, Strommessung und Messung des Zustands der Schaltgeräte in keiner Weise beschränkt. Die Einrichtung auf dem Niveau einer Umspannanlage umfasst sämtliche Messströme und -spannungen, sämtliche Kontakte beim Status der Schaltgeräte, die für die Realisierung der Schutz- und Steuerlogik nötig sind, sowie Steuerkanäle für die Steuerung von sämtlichen Schaltgeräten des gesteuerten Knotenpunkts des Stromnetzes. Die Glasfaser-Übertragungskanäle können über gemeinsame, für mehrere Kanäle vieladrige Glasfaserkabel durchgehen. Dabei bleiben sie unabhängig voneinander, einschließlich eines gesonderten optischen Ports des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks.
-
Der Wirkungsplan der Einrichtung gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. Als Quellen der eingehenden Information über den Schaltplanzustand dienen herkömmliche Quellen folgender Signale: externe Spannungswandler, Stromwandler und Hilfskontakte zur Positionsmessung der Schaltgeräte. Der Spannungsmesswandler 1 hat am Eingang eine Primärspannung U1. Die Primärspannung U1 wird von der Nennspannung des Stromnetzes bestimmt. Am Ausgang hat der Messwandler eine Spannung U2. Diese Spannung wurde aus der Normalspannungsreihe gewählt, z. B. 100 V oder 100/√3 V. Der Strommesswandler 2 hat am Eingang einen Primärstrom 11. Dieser Primärstromwert wurde anhand der berechneten Betriebsart des Stromnetzes ermittelt. Ein Sekundärstrom 12 wurde aus der Normalstromreihe gewählt, z. B. 1A oder 5A. Die Position der Schaltgeräte oder der Zustand von Hilfsschaltwerken und -sensoren wird in den Schaltplan unter Einsatz von Hilfskontakten 3 eingegeben.
-
An den Stellen, die maximal nah zu den Signalquellen sind, werden Generatoren 4, 5 und 6 angeordnet. Diese erzeugen eine Reihenfolge von optischen Impulsen einer bestimmten Frequenz je nach dem Augenblickswert. Diese optischen Impulse werden an den Eingangsparameter des Stromnetzes angelegt. So erzeugt der Generator 4 optische Impulse je nach dem Augenblickswert der eingehenden Spannung U2. Bei fehlender Spannung am Eingang erzeugt der Generator Impulse am optischen Ausgang mit der Folgefrequenz f0, d. h. der Bezugs-Übertragungsfrequenz des Kanals. Die Impulsfrequenz ändert sich linear je nach dem Eingangsspannungswert. Bei der maximalen positiven Spannungsamplitude U2 beträgt die Frequenz f0+Δf. Bei der maximalen negativen Spannungsamplitude U2 beträgt die Frequenz f0-Δf. Der Generator 5 funktioniert auf ähnliche Weise. Der Generator 5 ist stromgesteuert. Der Generator 5 erzeugt Impulse der Frequenz, die vom Strom 12 abhängig ist. Bei fehlendem Strom am Eingang erzeugt der Generator Impulse mit der Folgefrequenz f0. Die Impulsfolgefrequenz ändert sich linear je nach dem Stromwert. Bei der maximalen positiven Stromamplitude I2 beträgt die Frequenz f0+Δf. Bei der maximalen negativen Stromamplitude I2 beträgt die Frequenz f0-Δf. Der Generator 6 erzeugt eine Reihenfolge von optischen Impulsen je nach dem Hilfskontaktzustand, der an seinem Eingang eingegangen ist. Beim Kontaktzustand „0“ wird die Impulsfolgefrequenz des Generators f1 betragen. Beim Kontaktzustand „1“ wird die Generatorfrequenz f2 betragen. Beim Vergleich mit anderen Bereichen der Technik kann man Folgendes feststellen: Bei den Generatoren 4 und 5 wird die Frequenzmodulation eingesetzt, die im Rundfunk eine breite Anwendung findet. Beim Generator 6 wird die Doppelfrequenz-Codierung verwendet. Grundsätzlich kann der Generator 6 so ausgelegt sein, dass er eine größere Anzahl der Kontakte kontrollieren kann. Dabei wird er eine größere Anzahl an Varianten der Frequenzen erzeugen. Es könnte sein, dass eine solche Lösung die Einrichtung im Großen und Ganzen verbilligt. Man sollte jedoch darauf Rücksicht nehmen, dass sie zu einer Bedienungsfreundlichkeit sowie zur Vereinheitlichung der Systemteile nicht beiträgt. Die Reihenfolgen von optischen Impulsen, die von den Generatoren 4, 5 und 6 erzeugt wurden, werden an die optischen Ports 1, 2 und 3 des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks 7 übertragen. Dies kommt anhand der Glasfaser-Übertragungskanäle 8 zustande. Für einen bequemen Betrieb können die Ports mit dreifarbigen Leuchtanzeigen versehen werden. Diese Leuchtanzeigen melden fehlende eingehende Impulse, Impulse der Bezugsfrequenz und von der Bezugsfrequenz abweichende Impulse. Somit hat das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk an seinen Ports sämtliche nötige Daten über den Schaltplanzustand. Diese Daten sind in Form von optischen Impulsen verschiedener Folgefrequenzen dargestellt. Durch Rücktransformation der Frequenzen in die primären Messgrößen bekommt der algorithmische Teil des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks für die Berechnungen Augenblickswerte der Spannungen und Ströme sowie den Zustand der Schaltgeräte des Schaltplans. Aufgrund dieser Daten können sowohl die Vektorrechnungen als auch die Konvertierung von Daten in die Skalargrößen vorgenommen werden. Das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk führt die vorgegebenen Schutz- und Steuerungsalgorithmen aufgrund der eingehenden Dateninformation aus. Außerdem erzeugt es am Port 4 eine Reihenfolge von optischen Impulsen einer der Folgefrequenzen, d. h. f3 oder f4. Die erzeugten Impulse 9 kommen über den Glasfaser-Übertragungskanal 9 in den Frequenzdemodulator 10. Der Frequenzdemodulator 10 decodiert das eingehende Signal in eine diskrete Größe. Bei einer eingehenden Impulsfolgefrequenz f3 am Eingang D2 wird z. B. ein logisches Signal „0“ erzeugt. Bei einer Impulsfolgefrequenz f4 wird ein logisches Signal „1“ erzeugt. Bei einer Änderung des Signals D2, z. B. von „0“ auf „1“, übt der Frequenzdemodulator Einfluss auf den Abschaltmagneten (Einschaltmagneten) des Schaltgeräts 11 aus. Infolgedessen werden der Schutz oder die Steuerung bewirkt. Die mit der Impulsfolgefrequenz f3 eingehenden Impulse oder das logische Signal „0“ können für die Funktionsprüfung des Steuerkanals durch das Schaltgerät benutzt werden.
-
Somit werden mit der vorliegenden Erfindung sämtliche gestellten technischen Aufgaben gelöst:
- 1. Die Vorteile einer herkömmlichen Schutzschaltung werden aufrechterhalten, und zwar:
- a) die Möglichkeit der Einzelprüfung der Komponenten des jeweiligen einzelnen Messkanals; durch diese Möglichkeit werden eine schnelle Suche und das Auswechseln des defekten Elements sichergestellt;
- b) die Möglichkeit, Spannungs- sowie Stromwandler in typischer Ausführung einzusetzen; solche Spannungs- und Stromwandler sind sowohl für herkömmliche Schutzschaltungen als auch für die vorliegende Schaltung geeignet;
- c) die Möglichkeit der Vereinheitlichung der Bauelemente der Schaltung, was zu einer breiten industriellen Einführung verhilft;
- d) es besteht keine Notwendigkeit, Fachkräfte für das Einrichten der Netzwerkkomponenten des LAN-Netzwerks einzusetzen. Dabei ist es wiederum möglich, das Personal mit bestehender Qualifikation einzubeziehen.
- 2. Es werden die Vorteile erlangt, die bei der Anwendung des Konzepts „digitale Unterstation“ erwartet werden, z. B.:
- a) vollständiger Verzicht auf langgestreckte Verkabelung (Kabelverbindungen) von Prüfkabeln. Demzufolge werden folgende Probleme gelöst: diejenigen, die durch Spannungsabfall in Spannungsmesskreisen verursacht sind; diejenigen, die mit der Überlastung von Stromkreisen verbunden sind; diejenigen, die mit elektromagnetischer Verträglichkeit zusammenhängen. Außerdem werden die Gesamtkosten der Schutz- und Automatiksysteme reduziert;
- b) die Möglichkeit, eine zentrale Steuerungseinrichtung anstelle von vielen einzelnen Terminals (Einheiten) mit beschränkten Funktionen einzusetzen. Als Ergebnis werden die Planung und das Einrichten vereinfacht, und die Gesamtkosten der Schutz- und Automatiksysteme werden reduziert.
- 3. Es werden neue Möglichkeiten zur Datenverteilung von gemessen Massendaten an mehrere Adressen mit Hilfe von optischen Verteilern (Splittern) geschaffen; dies eröffnet neue Möglichkeiten zum Aufbau von Sicherungs- und Prüfschaltungen.
- 4. Es entstehen neue Möglichkeiten zur Diagnose und Entwicklung einer in der Herstellung einfachen und benutzerfreundlichen Prüfanlage.
- 5. Es entstehen Möglichkeiten zur Entwicklung von völlig neuen exterritorialen Schutzeinrichtungen, die nicht auf eine Umspannanlage oder Hochspannungsleitung beschränkt sind.
- 6. Es entstehen Möglichkeiten zur Entwicklung von Schutzeinrichtungen mit hoher Schnellwirkung. Solche Schutzeinrichtungen können eine Störung innerhalb von Bruchteilen der Spannung-Periodendauer des Stromnetzes abschalten.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt den Wirkungsplan der Relaisschutz- und Automatikeinrichtung gemäß der Erfindung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Spannungsmesswandler
- 2
- Strommesswandler
- 3
- Hilfskontakt des Schaltgeräts des Schaltplans
- 4
- optischer Impulsfolgegeber, spannungsgesteuert
- 5
- optischer Impulsfolgegeber, stromgesteuert
- 6
- optischer Impulsfolgegeber, gesteuert vom Status diskreter Signale
- 7
- mikroprozessorgesteuertes Rechenwerk
- 8
- Glasfaser-Übertragungskanäle, verbunden mit den Eingangsports des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks
- 9
- Glasfaser-Übertragungskanal, verbunden mit dem Ausgangsport des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks
- 10
- Frequenzdemodulator, der je nach der Folgefrequenz optischer Impulse (Schalt)Kontakte schließt
- 11
- Abschaltmagnet (Einschaltmagnet) des Schaltgeräts
-
Ausführung der Erfindung
-
Bei der Ausführung der Einrichtung werden sowohl typisierte, auf industriellem Wege hergestellte Erzeugnisse als auch eigentümliche Erzeugnisse verwendet. Zu den typisierten, von der Massenproduktion erschlossenen Erzeugnissen gehören Spannungsmesswandler und Strommesswandler. Auch wird eine weite Nomenklatur von Bauteilen für das Einrichten von Glasfaser-Übertragungskanälen industriell produziert. Den eigentümlichen Erzeugnissen können optische Impulsgeneratoren und das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk zugeordnet werden. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass die Schaltungstechnik eigentümlicher Erzeugnisse gut von der Produktion erschlossen ist, und es ermöglicht, Großintegrationsschaltungen einzusetzen. Das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk kann auf Basis einer der vielen Varianten von Mikroprozessoren ausgeführt werden, die vom Mikroelektronik-Markt angeboten werden. Hierzu gehören auch diejenigen Mikroprozessoren, die von einem Echtzeitbetriebssystem gesteuert werden.
-
Informationsquellen
-
- 1. Patent JP 5926540 B2 ( US 9444243 B2 ) „Schutz- und Steuerungssystem und eine Zusammenführung (Merging Unit) dafür“
- 2. Patent RU 2468407 „Automatisiertes Überwachungs-, Schutz- und Steuerungssystem für die Anlagen (Ausstattung) eines Umspannwerks“
- 3. Gebrauchsmusterpatent RU 73557 „Schutzeinrichtung einer elektrischen Anlage“.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 5926540 B2 [0005, 0020]
- US 9444243 B2 [0005, 0020]
- RU 2468407 [0005, 0020]
- RU 73557 [0020]
