DE3600171A1

DE3600171A1 - Schalter- und schutzrelaiseinheit

Info

Publication number: DE3600171A1
Application number: DE19863600171
Authority: DE
Inventors: Mario Mate Bilac; John James Dougherty; Indrajit Purkayastha; William James Premerlani
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1986-01-07
Publication date: 1987-07-09
Also published as: JPS62160029A; US4672501A; FR2592532A1; CA1233229A

Description

Der Gesamtschutz innerhalb einer elektrischen Energieverteilungseinrichtung enthält einen Überstromschutz, um die Einrichtung gegenüber überhöhten Strömen zu schützen, und auch eine Schutzrelaiseinrichtung, um die Einrichtung vor einer Beschädigung durch Unterspannungs- und Überspannungs- und andere Zustände zu schützen.

Die US-PS 42 66 259 beschreibt einen elektronisch betätigten Schalter, bei dem die Auslöseeinheit in Abhängigkeit von einer Schar von Kurven tätig wird, die aus der Beziehung I ² t=K abgeleitet sind. Um für einen Schutz gegenüber Unterspannungs- und auch Überspannungszustände zu sorgen, wird dem Schalter eine Schutzsignalübertragung als Zubehör hinzugefügt. Ein derartiges Zubehör ist in der US-PS 43 01 434 beschrieben. Das Zubehörteil enthält eine Unterspannungs-Lösemagnetspule (solenoid), die mechanisch mit dem Auslösebetätigungsmechanismus verbunden ist, um den Schalter auszulösen, wenn die Spannung unter einen minimalen Wert fällt. Wenn die Quelle des Überstroms oder der Unterspannung lokalisiert und korrigiert ist, müssen die Schalterkontakte manuell rückgesetzt und geschlossen werden, damit das System wieder arbeiten kann. Wenn andere Funktionen, wie beispielsweise Spannungsmessung, Frequenzmessung oder Spannungs-Strom- Unsymmetriemessungen, erforderlich sind, sind weitere Zubehörteile, Komponenten und Netze für jede dieser Funktion erforderlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzeinheit für eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die für einen Gesamtschutz sorgen kann, ohne daß zusätzliche Zubehörteile und Komponenten zusammen mit der Schaltungsschutzvorrichtung erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird eine Schaltereinheit mit Gesamtschaltungs- Schutzvermögen geschaffen, wobei die Schalterkontakte durch einen Mikrocomputer, der für eine Unterbrechung der Schaltungsanordnung bei Überströmen, Unterfrequenzen und Unterspannungen programmiert ist, durch eine gemeinsame Auslöse-Magnetspule (solenoid) gesteuert werden. Selbsttests werden kontinuierlich durchgeführt, um die Betriebsfähigkeit der Schaltungskomponenten sicherzustellen, und eine automatische Auslösung erfolgt bei einer negativen Testindikation. Augenblickswerte von Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Leistung werden zusammen mit Auslöseeinstellungen und Spannungs- und Frequenzparametern gemessen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 - ist eine schematische Darstellung der Schaltungssteuerung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 - ist eine schematische Darstellung der analogen Eingangs- und Signalkonditionierschaltung in der Schaltersteuerung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 - ist eine schematische Darstellung der Ausgangssteuerschaltung in der Schaltersteuerung gemäß Fig. 1.

Fig. 4 - ist ein Fließbild des Probenentnahme- bzw. Sampling-Algorithmus, der in der Schaltersteuerung gemäß der Erfindung verwendet wird.

Fig. 5 und 5A - sind Fließbilder des Zeit-über-Strom- Multiplizieralgorithmus gemäß der Erfindung.

Fig. 6 - ist ein Fließbild des Meßalgorithmus gemäß der Erfindung.

Fig. 7A und 7B - sind Fließbilder der Überspannungs- und Unterspannungs-Algorithmen gemäß der Erfindung.

Fig. 8 - ist ein Fließbild der Überfrequenz- und Unterfrequenz- Algorithmen gemäß der Erfindung.

Fig. 9 - ist ein Fließbild des Leistungsumkehr-Algorithmus gemäß der Erfindung.

Fig. 10 - ist ein Fließbild des Phasenumkehr-Algorithmus gemäß der Erfindung.

Die übliche Auslöseeinheit eines Schalters, wie er beispielsweise in der eingangs genannten US-PS 42 66 259 beschrieben ist, wird durch eine Schaltersteuerung 10 ersetzt, die schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Die Steuerung hat die Form einer gedruckten Schaltkarte, wobei alle Schaltungskomponenten, abgesehen von den Stromtransformatoren 11-14 und den Spannungstransformatoren 18-20, auf der gleichen Karte angeordnet sind. Jede Steuerung 10 weist eine Kommunikationsverbindung, wie beispielsweise ein Sprechfunkgerät bzw. einen Transceiver 27, auf, der eine Verbindung mit einem Datenbus 25 herstellt. Der Transceiver kann eine Verbindung mit anderen Schaltersteuerungen und auch mit einer Fernzentralsteuereinheit herstellen in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des zu schützenden Systems. Der Transceiver kann direkt durch ein verdrilltes Paar von Kommunikationsleitungen oder auch über ein Netzleitungsträgerkommunikationssystem verbunden sein, wie es in der US-PS 44 08 186 beschrieben ist. Ein effizienter Transceiver zum Verbinden des Datenbus mit einer Quelle Träger-modulierter Daten ist in der EP 84 114 505.5 beschrieben. Die Strom- und Spannungsdaten, die von den Strom- und Spannungstransformatoren empfangen werden, werden durch Multiplexer 15, 17, 21 und Momentanwert- bzw. Sample- und -Hold- Verstärker 16, 22 konditioniert, bevor sie in den Datenbus über einen AD-Wandler 24 eingegeben werden. Der Mikrocomputer für die Steuerung besteht aus einem Mikroprozessor 30, RAM-, ROM- und NVM-Elementen 28 bis 31, wobei die Daten verarbeitet und Befehle geliefert werden an eine Ausgangsschaltung 26 zu dem zugeordneten Kontaktbetätigungsmechanismus des Schalters, um die Schalterkontakte zu öffnen und zu schließen, und auch an geeignete Relais zum Schalten von Lasten, falls eine Energiemanagementfunktion erforderlich ist, oder zum Schalten zwischen Generatoren und Verbrauchern, um für automatische Umschaltfunktionen zu sorgen. Diese Anordnung eines Mikrocomputers, einer Kommunikationsverbindung und einer Steuer- bzw. Regelschaltung gestattet somit eine vollständige Steuer- bzw. Regelfunktion für ein elektrisches Verteilungssystem und sorgt auch für eine Leistungsfaktorkorrektur durch Verwendung von Relais, um entfernte Kondensatorbänke unter den entsprechenden Programmen zu schalten, die in dem Mikrocomputer gespeichert sind.

Die Schaltersteuerung gemäß der Erfindung wird nun anhand von Fig. 1 erläutert. Die Phasenstromtransformatoren 11 bis 13 sind Phasenströmen IA, IB, IC zugeordnet, die in zwei 4/1 Multiplexer 15, 21 eingegeben werden. In ähnlicher Weise wird ein getrennter Erdfehler-Stromtransformator 14 verwendet, um abzutasten, ob irgendein Erdfehlerstrom vorhanden ist. Der höchste Wert von einem der drei Phasenströme wird innerhalb des Mikroprozessors 30 ermittelt, um zu entscheiden, ob ein Auslösebefehl an eine Flußverschiebungs-Auslöseeinheit über eine Ausgangssteuerschaltung 26 geschickt werden sollte. Eine gute Beschreibung der funktionalen Relation zwischen dem Stromtransformator, der Ausgangssteuerung, der Auslösespule und des Auslösemechanismus eines elektronisch betätigten Schalters ist in der eingangs genannten US-PS 42 66 259 gegeben. Die Stromwerte werden von dem Multiplexer 15 durch einen Sample- und -Hold-Verstärker 16 zu einem 2/1-Multiplexer 17 übertragen. Drei Spannungstransformatoren 18-20 sind mit entsprechenden Phasenspannungen in ähnlicher Weise wie die Stromtransformatoren zugeordnet und liefern Phasenspannungswerte VA, VB, VC, die in 4/1-Multiplexer 15, 21 eingegeben werden. Die Spannungswerte werden durch einen Sample- und -Hold-Verstärker 22 zu dem 2/1-Multiplexer 17 übertragen. Die Spannungs- und Stromausgangswerte, die aus dem Multiplexer 17 austreten, werden über einen Leiter 23 in einen A/D-Wandler 24 eingegeben und auf den Datenbus 25 ausgegeben. Die Funktionen von RAM 28, ROM 29, Mikroprozessor 30 und des nicht-flüchtigen Speichers (NVM) 31 werden im folgenden beschrieben. Der Arbeitsspeicher bzw. RAM 28 wird für die temporäre Speicherung von Strom- und Spannungsdaten und als ein Zwischenspeicher verwendet. Der Festwertspeicher bzw. ROM 29 enthält die Programme, die die Schaltersteuerfunktionen, wie beispielsweise Überstromschutz, Messung, Meßrelais und Kommunikationen, implementieren. Diese Programme sind in den Fig. 4-10 gezeigt und im folgenden näher erläutert.

Der Mikroprozessor 30, ein von der Firma Intel Corporation kommerziell erhältlicher Mikroprozessor 8051, wird zum Steuern des Transceivers 27, des nicht-flüchtigen Speichers NVM 31, des A/D-Wandlers 24, des RAM 28, der Ausgangssteuerung 26 und des Datenbus 25 verwendet, wie es durch die vorgenannten Programme vorgegeben wird, die im ROM 29 gespeichert sind.Der nicht-flüchtige Speicher (NVM) 31 ist ein elektrisch löschbares ROM, das von der National Semiconductor Company in Santa Clara, Kalifornien, erhältlich ist. Der Speicher 31 enthält die Setzpunkte für die Schaltersteuerung, die nur durch Befehlsinstruktionen verändert werden können, die über den Transceiver 27 auf den Datenbus 25 gegeben werden. Dies ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung und verhindert eine zufällige Modifikation der Auslösesetzpunktdaten an dem Schalter, die andernfalls ein Problem darstellen könnten. Die in dem Speicher 31 gespeicherten Setzpunkte werden festgehalten, nachdem die gesamte elektrische Leitung bzw. Stromzufuhr zur Schaltersteuerung 10 unterbrochen ist. Diese Datenpunkte könnten auch im RAM 28 gespeichert werden, aber bei einem Spannungsverlust würden die Daten verloren sein. Eine bekannte Lösung zum Selektieren von Auslösedaten aus einem Speicher verwendet ein Potentiometer, um die Spannungswerte in Relation zu den Werten der Setzpunkte im Speicher zu verändern. Diese bekannte Lösung erfordert jedoch eine zusätzliche Schaltungsanordnung und benutzt Speicherplatz im ROM, um die Auslösepunktdaten zu speichern, was wirtschaftlich weniger vernünftig ist als der hier vorgeschlagene nicht-flüchtige Speicher.

Ein weiterer Vorteil, der durch die Verwendung eines elektronisch löschbaren ROM erzielt wird, um die Schaltersteuerungs- Setzpunkte zu speichern, ist die Fähigkeit, gewisse Merkmale und Funktionen für jede Benutzerpräferenz von einer einzelnen Schalterausgestaltung zu wählen. Dies wird dadurch erreicht, daß drei Bytes in dem Speicher 31 als die Designoptionsbytes zugeordnet und die Bytes in vorbestimmten Mustern angeordnet werden. Während des Fertigungsprozesses der Schaltersteuerung ist es möglich, die Schaltersteuerung zu kodieren, um gewisse Funktionen selektiv zu ermöglichen oder unmöglich zu machen. Beispielsweise ist es möglich, daß ein Benutzer keinen Erdfehlerschutz in seinem speziellen Anwendungsfall benötigt, so daß das Erdfehlerschutzbit in dem Speicher nicht gesetzt werden würde. Beim Einschalten liest der Mikrocomputer 30 den Platz der drei Designbytes aus dem Speicher und vergleicht sie mit den Setzmustern, die im ROM 29 definiert sind. Für das gegebene Beispiel würde die Schaltersteuerung den Erdfehlerschutz nicht ausführen, da das definierte Bit in dem nichtflüchtigen Speicher nicht gesetzt ist. Durch das Kodieren des Speichers als dem letzten Schritt in dem Fertigungsprozeß könnte die Schaltersteuerung angepaßt werden an des Endbenutzers Präferenz für Optionen, Merkmale und Funktionen aus einem Schalterdesign, ohne daß Bezeichnungsstifte oder elektrische Brücken erforderlich sind. Der nicht-flüchtige Speicher könnte auch Eichungs- und Korrekturfaktoren enthalten.

Die analoge Eingangs- und Signalkonditionierschaltung zur Verwendung mit der Schaltersteuerung gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 hinsichtlich der Verbindungen mit dem Mikroprzessor 30 gezeigt. Die Stromtransformatoren 11-14 gemäß Fig. 1 sind über Leiter 32, 33 mit dem 4/2- Multiplexer 15 und über Leiter 34, 35 mit dem Multiplexer 21 verbunden. Bürdenwiderstände R ₁₅ bis R ₁₈ führen zusammen mit Strombegrenzungswiderständen R ₁₀-R ₂₂ und Zehner-Dioden 36-39 eine Spannungsumwandlung auf den Stromtransformatorausgängen aus und halten die ankommenden Signale zu den Multiplexern in einem vernünftigen Pegel, um eine Beschädigung an den Schaltungskomponenten zu verhindern, falls ein Stromstoß auftreten würde. Die Spannungstransformatoren 18-20 gemäß Fig. 1 sind mit den Multiplexern 15, 21 über Leiter 41, 42 bzw. 43 verbunden. Spannungsteilerwiderstände R ₂₃-R ₂₈ begrenzen die Eingangsspannung zu den Multiplexern auf einen zulässigen Wert. Ein Spannungsregler bzw. -stabilisator 40 ist mit einer +5 Volt-Quelle und mit dem Anschluß 4 des Multiplexers 21 über einen Leiter 44 verbunden, um Selbsttestfunktionen für die Schaltungsanordnung durchzuführen, um sicherzustellen, daß die Eingangs- und Signalkonditionierfunktion betriebsfähig ist. Die Verwendung einzelner Strom- und Spannungsphaseneingänge zu den Multiplexern gestattet, daß jede einzelne Phasenkomponente getrennt adresiert wird durch eine Multiplexer- Steuerleitung 87, die die Multiplexer 15, 21 mit einem E/A Port des Mikroprozessors 30 verbindet, wie es am besten aus Fig. 3 zu ersehen ist. Die Ausgangssignale der Multiplexer 15, 21 werden über Leiter 49-52 in Sample- und -Hold- (S/H)- Verstärker 44-47 eingegeben. Die S/H-Verstärker 44-47 bilden die beiden S/H-Verstärker, die in Fig. 1 allgemein mit16 und 22 bezeichnet sind. Die Verstärkerausgangssignale werden durch Leiter 53-56 in einen 8/1-Multiplexer 17 eingegeben. Die einzelnen Phasenspannungs- und Stromwerte werden in den S/H-Verstärkern gesetzt und rückgesetzt durch Instruktionen von dem Mikroprozessor über die Sample- und -Hold-Steuerleitung 57, die eine Verbindung mit einem Ausgangsport des Mikroprozessors 30 herstellt. Der Spannungs- und Stromwert für jede einzelne Phase kann am Ausgang des Multiplexers 17 über eine Leitung 23 durch eine Adreßleitung 58 erhalten werden, die eine Rückverbindung zu einem E/A-Port des Mikroprozessors 30 herstellt.

Der Mikrocomputerteil der Schaltersteuerung, wie sie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, besteht aus dem Mikroprozessor 30 in Verbindung mit dem ROM 29 und den Speicher 31, die wie folgt miteinander verbunden sind. Ein E/A-Port am Mikroprozessor 30 ist an einer Leitung 29 mit einem Kommunikationsbus für einen modulierten Träger oder mit einem verdrillten Paar eines digitalen Datenbus über einen Transceiver 27 verbunden. Der Transceiver gestattet, daß verschiedene Informationen und Befehle von einer Fernsteuereinheit zu und von dem Mikroprozessor kommunizieren und daß ein Kommunikationsaustausch zwischen ähnlichen Mikroprozessoren in einem verteilten Schaltungsschutzsystem stattfindet. Alle Instruktionen für den Betrieb des Mikroprozessors relativ zu einem speziellen Kommunikationsprotokoll und auch zu den Instruktionen für die Schalterauslösung und die Relaissteuerung sind im ROM 29 gespeichert. Ein E/A-Port ist sowohl über eine Sperre 63 mit dem ROM 29 als auch direkt mit dem ROM 29 über einen Leiter 64 verbunden. Die Sperre 63 gestattet, daß über den gleichen Port Daten in den Mikroprozessor eingegeben und von diesem ausgegeben werden. Wie bereits beschrieben wurde, ist ein Ausgangsport auf dem Mikroprozessor über einen Leiter 58 zurück zum Multiplexer 17 in der Schaltersteuerung verbunden. Daten aus dem Speicher 31 werden auf dem Datenbus 25 bei Instruktionen von dem Mikroprozessor über den ROM 29 und die Verbindungsleitung 64 ausgegeben. Um die Ausgabe von Daten aus dem ROM 29 auszuführen, wird eine Information von einem Ausgangsport des Mikroprozessors über eine Leitung 62 inden Speicher 31 eingegeben über einen Invertierer 66 und ein NAND-Gatter 67. Zeitsteuerimpulse werden von einem Timer 65 geliefert, der den Taktanschluß des nicht-flüchtigen Speichers über die Taktleitung 68 verbindet. Der Eingang zum Invertierer 66 ist über einen Leiter 70 direkt mit dem CS-Anschluß auf dem nicht-flüchtigen Speicher 31 verbunden. Die Zeitsteuerung bzw. der Timer 65 steuert die Lese- und Schreibfunktion im Speicher 31 relativ zu Signalen zum Mikroprozessor 30 vom Multiplexer 17. Die Instruktionen zum Zwischenschalten des Transceivers 27 zwischen einen Träger-modulierten Kommunikationsbus und den Datenbus 25 und zum Erhalten entsprechender Daten von dem Speicher 31 sind ebenfalls im ROM 29 gespeichert. Wenn mehrere Steuerungen mit einem gemeinsamen Datenbus oder Träger-modulierten Kommunikationsbus verbunden sind, ist es wichtig, daß jede Steuerung ihre eigene Adresse hat. Dies wird durch die Eingangssperre 60 und einen Pull-up-Widerstand 61 erreicht, die gesetzt werden, um einen bestimmten Adreßcode für die entsprechende, in Fig. 1 gezeigte Steuerung zu liefern.

Die Ausgangssteuerschaltung 26 in der Schaltsteuerung gemäß Fig. 1 ist in Fig. 3 gezeigt. Eine Auslöseleitung 73 verbindet einen Ausgangsport auf dem Mikroprozessor 30 mit dem einen Eingang eines Gatters 75. Der andere Eingang ist mit einer 5-Volt-Referenz verbunden. Ein Auslösesignal wird von dem Mikroprozessor eingeleitet bzw. angestoßen, damit das Gatter 75 leitend bzw. durchgeschaltet wird. Die Ausgangsgröße des Gatters 75 wird über einen Begrenzungswiderstand 77 und eine Diode 78 der Basis eines Leistungstransistors 79 zugeführt, um den Transistor durchzuschalten. Ein Widerstand 81 bildet ein RC-Glied mit einem Kondensator 82, um genügend Energie aus der +15 Volt-Einspeisung zu speichern, wenn der Leitungstransistor 79 durchschaltet, um die Auslösespule 85 des Schalters zu erregen und die Schalterkontakte auszulösen. Eine Diode 83 ist der Auslösespule parallel geschaltet, um den Stromkreis gegenüber einer Stromrückführung durch die Auslösespule zu schützen. Ein Widerstand 80 sorgt für eine Rauschunterdrückung zwischen dem Transistor 79 und Erde bzw. Masse.

Der Steuerrelaisabschnitt 88 der Ausgangssteuerschaltung 26 enthält eine Ausgangs-Adreß-Sperre, die mit demDatenbus 25 verbunden ist, um Steuersignale von dem Mikroprozessor 30 zu empfangen. Eine Leitung 84 ist mit dem Relais 88 verbunden, um den Motor des Schalterbetätigungsmechanismus vor dem Schließen der Kontaktstücke zu laden bzw. zu belasten, und eine Leitung 86 ist mit einem Relais 87 verbunden, um die Schalterkontakte zu schließen, wenn der Betätigungsmechanismus voll geladen bzw. belastet ist. Somit hat die Ausgangssteuerschaltung 26 das Vermögen, sowohl für eine Schutzrelaisfunktion als auch für einen Überstromschutz zu sorgen. Sollte eine Stromkreisunterbrechung wegen eines Unterspannungs- oder Unterfrequenzzustandes erforderlich sein, wird das Auslösesignal über die Leitung 73 angestoßen, um die Flußschieberspule 85 zu betätigen, wodurch der Schalter ausgelöst und der Stromkreis geöffnet wird. Bisher wurden die Schutzrelais- und Überstromschutzfunktionen durch zwei getrennte Stromkreisunterbrechungsvorrichtungen ausgeübt.

Um der elektrischen Verteilungsschaltung die Schutzrelaisfunktion zu geben, während der Überstromschutz beibehalten wird, wurde der Probenentnahme- bzw. Sampling-Algorithmus gemäß Fig. 4 entwickelt, wobei folgende Instruktionen ausgeführt werden. Alle Phasenströme werden auf einer kontinuierlichen Basis (1) gesampelt, und die Zeit-Überstromschutzfunktion- Algorithmen, die in den Fig. 5, 5A gezeigt sind, werden ausgeführt (2). Als nächstes wird der Erdfehlerschutz- Algorithmus ermittelt (3), und es wird eine Feststellung getroffen, ob 30 Zyklen vergangen sind (4), und wenn nicht, werden die Schritte 1-3 für jeden Halbzyklus bzw. jede Halbwelle wiederholt (9). Wenn 30 Zyklen vergangen sind, dann werden die Phasenspannungen gesampelt (5) und der Meß- Algorithmus wird ausgeführt (6). Ein Beispiel für einen geeigneten Meß-Algorithmus, bei dem die Spannungs-, Strom-, Kilowatt- und Kilowatt-pro-Stunde (Effektivwert)-Werte ermittelt werden, ist in Fig. 6 gezeigt. Als nächstes werden die Schutzrelais-Algorithmen durchgeführt (7), wobei das Vorhandensein von Unterspannungs-, Überspannungs-, Unterfrequenz- und Überfrequenz-, Phasen- und Leistungsumkehr-Zustände ermittelt werden. Ein effektiver Algorithmus zur Lieferung eines Zeit- Überstromschutzes, bei dem eine dynamische Vergangenheit der Systemparameter kontinuierlich mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen und der Stromkreis unterbrochen wird, wenn der Schwellwert überschritten wird, ist in der US-PS 44 32 031 angegeben.

Der Meßalgorithmus zum Ausführen der Meßfunktion ist im ROM 29 gespeichert und wird durch den Mikroprozessor 30 gemäß Fig. 1 durch die Schritte ausgeführt, die in dem Fließbild gemäß Fig. 6 gezeigt sind. Die Stromwerte werden von den Stromtransformatoren 11-13 erhalten und die Spannungswerte werden von den Spannungstransformatoren 18-20 erhalten und werden im RAM 28 (112, 113) gespeichert. Der Effektivwert wird aus 12 Proben (Sampels) von jedem der Spannungs- und Stromwerte (114) erhalten. Die Kikowatt- und Kilowattstunden-Daten werden aus den effektiven Spannungs- und Stromwerten (115) ermittelt, und die Werte aller dieser Parameter werden im RAM 28 gespeichert für eine Kommunikation über den Transceiver 27 bei einem Befehl (116).

Ein effizienter Algorithmus zum Lösen der Zeit-über-Stromrelation zur Lieferung einer Langzeitverzögerung, einer Kurzzeitverzögerung und eines Erdfehlers, ohne daß so viel Prozessorszeit erforderlich ist wie bei der vorgenannten Lösung mit dem dynamischyen Vergangenheits-Algorithmus, weist den Zeit-über- Strom (TOC)-Multiplizier-Algorithmus auf.

Der Algorithmus für den TOC-Multiplizierer ist in den Fließbildern gemäß Fig. 5 und 5A gezeigt. Der TOC-Multiplizier- Algorithmus löst die inverse Zeitgleichung mit Fehlern von weniger als 5% mit dem 10-Bit-A/D-Wandler 24 in der Schaltersteuerung 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, und verwendet 3 Akkumulatoren - einen für die Langzeit-, die Kurzzeit- und die Erdfehler-Auslösefunktionen -, die jeweils in dem Mikroprozessor 30 enthalten sind. Die Probenentnahme bzw. der Sampling besteht darin, daß 12 Sampels von jedem Zyklus der drei Phasenströme und des Erdfehlerstroms über den Multiplizierer 15 und den Sample- und -Hold-Verstärker 16 genommen werden. Jede Probe wird quadriert in dem Mikroprozessor, und die 12 aufeinanderfolgenden Proben werden addiert, um die Quadratwurzel zu ermitteln. Der Effektivwert wird dann mit der Stromaufnahmeeinstellung verglichen, die in dem nicht-flüchtigen Speicher 31 gespeichert ist, und wenn der Effektivwert die Langzeit-, Kurzzeit- oder Erdfehleraufnahme überschreitet, dann wird der entsprechende Akkumulator alle n Sekunden um einen Wert "1" inkrementiert. Das Inkrement "1" ändert sich deshalb, wenn sich der Effektivwert ändert. Wenn der Akkumulator überfließt, wird ein Auslösesignal durch den Mikroprozessor eingeleitet, um den Schalter über die Ausgangssteuerschaltung 26 auszulösen.

Im folgenden wird der Multiplikations-Algorithmus beschrieben zum Lösen der Zeit-über-Stromgleichung. Für einen bestimmten Wert des Stroms "I" definiert der Ausdruck T = KC ^x : I ^x eine bestimmte Auslösezeit (T), wobei T in Sekunden angegeben und I der Strom ist, der von dem Stromtransformator im Vielfachen des prozentualen Nennstroms erhalten ist. C definiert die Vielfachen der Stromeinstellung für die Lang- und Kurzzeit und ist 1 für einen Erdfehler. x ist der Exponent von I und ist gleich 2 für einen längeren Erdfehler und ist 2, 3 oder 4, 5 für den Kurzzeitbereich der Zeit-über-Stromkurve. K ist die Konstante für die Langzeit-, Kurzzeit- oder Erdfehlerbänder. Im Betrieb ermittelt alle n Sekunden der Mikroprozessor den Effektivwert von I. Wenn I konstant ist, dann ist das Inkrement 1 ebenfalls konstant. In der Zeit von T Sekunden, wenn I konstant ist, ist die Anzahl der Inkrementierungen des Akkumulators gleich T/n, und die Größe des Inkrementes ist zu jeder Zeit gleich 1. Wenn der Akkumulator zu Beginn auf 0 war, wird der Maximalwert des Zählers (Qmax) ermittelt durch den Ausdruck Qmax = (l) (T/n) oder, in anderen Worten, T = (n) (Qmax) /l. Aus dem vorstehenden Ausdruck für T kann die folgende Gleichung für l direkt abgeleitet werden:

l (n) (Qmax)/l = KC ^x/I ^x

Dies ergibt den folgenden Ausdruck für l: da n, Qmax, K, C und x alle vorbestimmte Konstanten sind. Da der Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung eine Konstante ist, kann dieser Wert durch die Konstante p ersetzt werden, wodurch sich der ausdruck auf p = I ^x vereinfacht. Der Betrag, um den der Akkumulator für jeden Stromwert über der Aufnahme inkrementiert wird, kann nun durch einen einfachen Multiplikationsprozeß ermittelt werden. Der Wert von l wird zum Akkumulator hinzuaddiert und bei einem Überfluß wird ein Auslösesignal initiiert. Um für die erforderlichen Genauigkeitsanforderungen für die Zeit-Über-Stromkurven zu sorgen, wurden die folgenden Werte von Qmax und n gewählt. Der Wert von n für eine Langzeitaufnahme wurde mit 48 Millisekunden gewählt, für eine Kurzzeitaufnahme wurden 8 Millisekunden gewählt und für einen Erdfehler 48 Millisekunden. Der Wert von Qmax für Langzeitaufnahme steht in Beziehung zu der Akkumulatorbreite und beträgt für Langzeitaufnahme 24 Bits, für Kurzzeitaufnahme 16 Bits und für Erdfehleraufnahme 8 Bits. Der Wert von Qmax ist der maximale Wert, der in dem Akkumulator generiert werden kann. Beispielsweise ist für eine Langzeitaufnahme Qmax, in hexadezimaler Notation, ein sich sechsmal wiederholendes F.

Die Implementation des Multiplikations-Algorithmus wird am besten verständlich, indem nun auf die Fließbilder gemäß den Fig. 5 und 5A und die in Fig. 1 gezeigte Schaltersteuerung 10 Bezug genommen wird, wobei die Programmschritte in Klammern nachgesetzt sind, um eine Verwechselung mit den Bezugszahlen der Zeichnung zu vermeiden. Die Stromabtastungs- Subroutine (90) wird ausgeführt über die Stromtransformatoren 11-14, den Strom-Multiplexer 15, den Sample- und -Hold-Verstärker 16, den Multiplexer 17 und den 10 Bit-A/D-Wandler 24. Der von dem A/D-Wandler abgegebene Digitalwert wird in dem Mikroprozessor 30 quadriert (91). Dann wird ermittelt, ob die Stromabtastperiode vorüber ist (92), und wenn die Antwort nein ist, dann wird der Wert für I² zu dem kumulierten Wert hinzuaddiert, der in dem Akkumulator des RAM 28 gespeichert ist (100). Dieser Schritt wird für alle drei Stromphasen wiederholt. Wenn die Antwort ja ist, wird die Summe der Quadrate für jede der drei Phasen verglichen, um das größte der drei Phasenstromsummenquadrate zu ermitteln, da die Auslösezeitkurve auf dem schlechtesten, d. h. höchsten, Wert der drei Phasenströme basiert (93). Der mittlere Quadratwert der kumulativen Proben bzw. Sampels wird ermittelt, indem die Summe durch 12 dividiert wird (94), und der Effektivwert wird ermittelt, indem die Quadratwurzel des mittleren Quadrats gezogen wird (95). Dies hat den Effektivwert des höchsten Phasenstroms zur Folge. Dieser Wert wird zunächst mit der Langzeitaufnahme verglichen (96), und wenn der Effektivwert nicht größer als die Langzeitaufnahme LTPU ist, besteht kein LTPU- Zustand und der Langzeitzähler wird auf Null gesetzt (101). Der Mikroprozessor steht nun zur Verfügung, um andere Aufgaben auszuführen. Wenn der Effektivwert den LTPU überschreitet, wird der Vergleich mit der Kurzzeitaufnahme STPU vorgenommen (97). Wenn der Effektivwert den STPU überschreitet, existiert eine Kurzzeitaufnahme und der Kurzzeitalgorithmus wird ausgeführt (104). Wenn der Effektivwert nicht größer als oder gleich der Kurzzeitaufnahme STPU ist, dann wird der Langzeitzählwert um eins inkrementiert (98). Der Langzeitzählwert wird ermittelt und es wird ein Vergleich angestellt, ob der Langzeitzählwert gleich drei ist, und wenn der Langzeitzählwert nicht gleich drei ist, dann steht der Mikroprozessor zur Verfügung, um andere Aufgaben durchzuführen (101). Wenn der Langzeitzählwert gleich drei ist, wird der Langzeit-Zeit- über-Strom-Multiplikations-Algorithmus ausgeführt (103). Für ein System mit einer Netzfrequenz von 60 Hertz besteht ein Zyklus bzw. eine Periode aus etwa 16 Millisekunden. Indem die Langzeit-über-Stromroutine nur ausgeführt wird, wenn der Langzeitzählwert gleich drei ist, wird der Langzeit-über-Strom-Algorithmus einmal in jeweils 48 Millisekunden ausgeführt, um eine Langzeit-über-Stromgenauigkeit sicherzustellen.

Die Langzeit-Zeit-über-Strom-Algorithmusroutine ist in Fig. 5A gezeigt. Die Kurzzeit-über-Stromroutine wird in ähnlicher Weise ausgeführt und wird deshalb hier nicht näher beschrieben. Die Langzeit-zeit-über-Stromroutine wird eingeleitet, indem I ^x ermittelt wird, wobei I der Effektivwert ist (105). Der Langzeit- Multipliziererwert für p wurde zuvor im RAM 28 während der Initialisierung gespeichert und wird aus dem Speicher abgerufen (106), um den Wert pI ^x zu ermitteln (107). Diese Ermittlung erfolgt in dem Mikroprozessor 30. Der Langzeit-Akkumulator innerhalb des RAMs 28 wird um den Wert pI ^x inkrementiert (108), und es wird festgestellt, ob der Akkumulator übergeflossen ist (109). Wenn der Akkumulator übergeflossen ist, initiiert der Mikroprozessor ein Auslösesignal (110). Wenn der Akkumulator nicht übergeflossen ist, wird der inkrementierte Akkumulatorwert im RAM 28 gespeichert, und der Mikroprozessor steht für andere Funktionen zur Verfügung (111). Fig. 5, 5A beziehen sich insbesondere auf die Langzeit- Überstrom- und Kurzzeit-über-Strom-Algorithmen, um die Auslösezeiten zu ermitteln. Eine ähnliche Routine wird für die Erdfehler-Schutzfunktion verwendet, wobei der gleiche Multiplikations- Algorithmus verwendet wird, was hier nicht näher beschrieben wird.

Die Schutzrelais- bzw. Schutzsignalübertragungs-Algorithmen sind ebenfalls im ROM 29 gemäß Fig. 1 gespeichert. Der Überspannungs-Algorithmus wird durch das Fließbild implementiert, das in Fig. 7A gezeigt ist. Ein Überspannungs-Sollwert wird gewählt (117) und im RAM 28 gespeichert. Dieser Wert wird mit 12 multipliziert, und die Ergebnisse werden ebenfalls im RAM 28 gespeichert (118). Die berichtigte Summe des zusammengesetzten Spannungsmittelwertes (RCVA) wird erhalten und eingegeben (119), und es wird festgestellt, ob der zusammengesetzte Spannungsmittelwert RCVA den Überspannungs-Sollwert übersteigt (120). Wenn dies der Fall ist, wird eine Überspannungsaktion vorgenommen (121), indem der Schalter über die Ausgangssteuerung 26 ausgelöst wird und ein Überspannungs-Auslösezustandsignal über den Transceiver 27 kommuniziert wird. Wenn der zusammengesetzte Spannungsmittelwert RCVA den Überspannungs-Sollwert nicht überschreitet, wird ewin Normalzustandsignal nach Aufforderung über den Transceiver kommuniziert (122).

Der Unterspannungs-Algorithmus ist auch in dem ROM 29 gespeichert und durch das Fließbild gemäß Fig. 7B implementiert. Der Unterspannungs-Sollwert wird gewählt (123) und im RAM 28 gespeichert. Der Wert wird mit 12 multipliziert und ebenfalls gespeichert (124). Der RCVA-Wert wird eingegeben (125) und es wird ermittelt, ob der RCVA-Wert kleiner als der Unterspannungs- Sollwert ist (126). Wenn dies der Fall ist, wird eine Unterspannungsaktion vorgenommen (12)), indem der Schalter ausgelöst und ein Unterspannungs-Auslösezustandsignal über den Transceiver 27 kommuniziert wird. Wenn der RCVA-Wert nicht kleiner als der Unterspannungs-Sollwert ist, wird ein Normalzustandsignal bei Bedarf über den Transceiver kommuniziert (128).

Die Überfrequenz- und Unterfrequenz-Algorithmen sind auch im ROM 29 gespeichert und werden alternativ ausgeführt in dem Mikroprozessor bei jedem anderen Zyklus durch das Fließbild gemäß Fig. 8. Der Überfrequenz-Sollwert (OFS) wird gewählt (129) und in das RAM 28 eingegeben. Die Frequenz wird gemessen und ein ungefilterter Frequenzzählerwert (UFCV) wird ermittelt und eingegeben (130). Es wird ein Vergleich mit dem Oberfrequenz- Sollwert OFS durchgeführt (131), und wenn der UFCV- Wert größer als der OFS-Wert ist, wird ein Überfrequenz-Auslösesignal vom Mikroprozessor 30 über den Bus 25 zur Ausgangssteuerung 26 geschickt und der Schalter wird ausgelöst. Ein Überfrequenz-Zustandsignal wird über den Transceiver 27 gesendet (132). Wenn der UFCV-Wert nicht größer als der OFS-Wert ist, wird ein Normalzustandsignal bei Bedarf über den Transceiver gesendet (133).

Der Unterfrequenz-Sollwert (UFS) wird gewählt (134) und in den RAM 28 eingegeben. Der gleiche UFCV-Wert wird eingegeben (135) und es wird ein Vergleich mit dem UFS-Wert angestellt (136). Wenn der UFs-Wert größer als der UFCV-Wert ist, wird ein Unterfrequenz- Auslösesignal zur Ausgangssteuerung gesendet, um den Schalter auszulösen, und es wird ein Unterfrequenz-Zustandsignal gesendet (137). Wenn der UFS-Wert nicht größer als der UFCV-Wert ist, wird ein Normalzustandsignal bei Bedarf über den Transceiver gesendet (138).

Die Leistungsumkehr- und Phasenumkehr-Algorithmen werden durch die vereinfachten Fließbilder implementiert, die in den Fig. 9 und 10 gezeigt sind. Der negative Kilowatt-Wert wird pro Phase durch den folgenden Ausdruck ermittelt: für 12 Proben der abgetasteten Spannung und des Stroms. Ein negativer Kilowatt-Wert wird eingegeben (139), und der abgetastete Spannungswert und die Stromwerte werden dividiert (140, 141). Der neue negative Kilowatt-Wert wird mit 9753,5 multipliziert (142), und der ganzzahlige bzw. Integer-Wert des Ergebnisses (143) wird im RAM 28 gespeichert als der Leistungsumkehr- Sollwert zur Ermittlung der Leistungsumkehr (144).

Die Phasenumkehrermittlung wird durch Lesen des Vorzeichens aller drei Phasenspannungen A, B, C nach jedem Nulldurchgang durchgeführt (145). Es wird ermittelt, ob die Spannung der Phase B positiv ist oder die Spannung der Phase C negativ ist, wenn die Spannung der Phase A negativ ist (146). Wenn dies der Fall ist, wird ein Auslösesignal an die Ausgangssteuerung 26 geschickt und der Schalter ausgelöst. Ein Phasenumkehrzustandsignal wird auch über den Transceiver 27 gesendet (147). Wenn die Spannung der Phase B positiv und die Spannung C negativ ist, wenn die Spannung A negativ ist, wird ein Normalzustandsignal bei Bedarf über den Transceiver gesendet (148).

Das Signal 71 vom A/D-Wandler von dem Mikroprozessor 30 wird ebenfalls verwendet, um einen "Überwachungs"-Timer-Univibrator 72 zu triggern, der in Fig. 3 gezeigt ist. Da der A/D-Wandler bei einer bekannten Frequenz gesampelt wird, wird in dem Überwachungs- Univibrator eine längere Auszeitperiode verwendet. Jedesmal, wenn der A/D-Wandler sampelt, wird der Univibrator rückgetriggert und erhält somit niemals die Möglichkeit, eine Zeitsperre zu liefern (time out). Die Ausgangsgröße des Univibrators ist deshalb "hoch", solange die Schutzfunktionen des Schalters in Betrieb sind. Die Selbsttest-Routinen im ROM 29 testen periodisch den Status der Eingangsleitung 24, um die Gültigkeit bzw. Betriebsfähigkeit des Überwachungsmonitors zu testen.

Wenn aufgrund irgendeiner Fehlfunktion der Überwachungsmonitor die Zeit stoppt, wodurch ein nicht-schützender Zustand angezeigt wird, erfaßt der Mikroprozessor 30 diesen Zustand und leitet eine Auslösung über die Ausgangssteuerleitung 73 ein.

Claims

1. Schalter- und Schutzrelaiseinheit, gekennzeichnet durch:
Strom- und Spannungsfühler (11-14, 18-20) in einer zu schützenden elektrischen Schaltungsanordnung,
einen A/D-Wandler (24) zum Empfangen der Strom- und Spannungsdaten von den Fühlern,
einen digitalen Prozessor (30), der zum Vergleichen der Strom- und Spannungsdaten programmiert ist, für einen Vergleich mit vorbestimmten Sollwerten und zum Betätigen von zwei trennbaren Kontaktstücken, um die zu schützende elektrische Schaltanordnung zu unterbrechen, wenn die vorbestimmten Sollwerte überschritten sind, und
elektrisch löschbare Speichermittel (28), die mit dem digitalen Prozessor (30) verbunden sind, zum Festhalten der vorbestimmten Sollwerte.

2. Schalter- und Schutzrelaiseinheit gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Transceiver (27), der mit dem digitalen Prozessor (30) und den elektrisch veränderbaren Speichermitteln (28) über einen Datenbus (25) verbunden ist.

3. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ROM-Speicher (29) vorgesehen ist, der mit dem digitalen Prozessor (30) verbunden ist und Programme für den Sollwertvergleich enthält.

4. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangssteuerschaltung (26) mit dem digitalen Prozessor (30) und einer Schalter-Auslösespule für eine Betätigung der Auslösespule verbunden ist, um den zu schützenden Stromkreis zu unterbrechen.

5. Schalter- und Schutzrelaiseinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein RAM-Speicher (28), der mit dem digitalen Prozessor (30) und dem ROM-Speicher (29) verbunden ist, die Strom- und Spannungsdaten temporär speichert.

6. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplexer (17), der mit dem A/D-Wandler (24) verbunden ist, serielle Eingangsgrößen an den A/D-Wandler liefert.

7. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssteuerschaltung (26) eine Ausgangsadressensperre (59) aufweist, die mit dem Datenbus (25) verbunden ist und Signale an zwei Relais liefert zum Öffnen und Schließen der Relais bei Befehlssignalen von dem digitalen Prozessor (30).

8. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssteuerschaltung (26) ein Gatter (25) und einen Transistor (79) aufweist, die zwischen die Auslösespule und den digitalen Prozessor (30) geschaltet sind zur Lieferung von Auslösesignalen an die Auslösespule (85).

9. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ROM-Speicher (29) mit dem digitalen Prozessor (30) über eine Adressensperre (63) verbunden ist.

10. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch löschbare Speichereinrichtung mit dem digitalen Prozessor (30) über einen Invertierer (66) und ein logisches Gatter (67) verbunden ist.

11. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch löschbare Speichereinrichtung mehrere Überstrom- und Schutzrelaisoptionen aufweist, die wählbar sind durch Ändern der elektrisch löschbaren Speichereinrichtung.

12. Schalter- und Schutzrelaiseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Optionen jeweils wenigstens ein Bit in der elektrisch änderbaren Speichereinrichtung aufweisen.

13. Verfahren zur Lieferung von Überstrom- und Schutzsignalübertragungsschutz gekennzeichnet durch:
Probenentnahme bzw. Sampeln von Phasenströmen in einem zu schützenden elektrischen System,
Durchführen von Zeit-über-Stromschutz durch Vergleichen der Phasenströme mit vorbestimmten Werten und Betätigen der trennbaren Kontaktstücke innerhalb des elektrischen Systems, um die Phasenströme zu unterbrechen,
Durchführen eines Erdfehlerstromschutzes durch Feststellen eines Erdfehlerstroms und Betätigen der trennbaren Kontaktstücke, um den Erdfehlerstrom zu unterbrechen,
Probenentnahme bzw. Sampeln von Phasenspannungen in dem zu schützenden elektrischen System,
Anzeigen der Phasenspannungen und der Phasenströme bei Bedarf,
Durchführen der Schutzsignalübertragung durch Vergleichen der Phasenspannungen mit vorbestimmten Werten und Betätigen der trennbaren Kontaktstücke in dem elektrischen System, um die Phasenströme zu unterbrechen,
Testen von ROM- und RAM-Speicherelementen, die mit dem digitalen Prozessor in dem elektrischen System verbunden sind, und
Betätigen der Kontaktstücke, um die Phasenströme bei einer Indikation zu unterbrechen, daß ROM und RAM nicht funktionsfähig sind.