DE3632178A1 - Verfahren und vorrichtung zur schnellen erfassung von netzfehlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Detektion von Fehlern in einem n-phasigen Wechselstromnetz, insbesondere von kurzzeitigen Unterspannungszuständen. Die Erfindung be­ trifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens und je eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung.

In der deutschen Offenlegungsschrift 33 46 291 wird ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer netzsynchro­ nen Referenzspannung für einen netzgeführten Stromrichter beschrieben. Dieser soll nach Beendigung einer Netzstörung ohne Kommutierungsfehler möglichst schnell wieder in Betrieb genommen werden. Die hierzu benötigte netzsynchrone Referenz­ spannung wird aus den ungestörten Phasenspannungen des Netzes gewonnen, indem ein Netzerfassungsglied ("Drei/Zwei-Wandler") diese zunächst in zwei Wechselspannungskomponenten transfor­ miert, welche einen rotierenden Vektor in einem raumfesten, orthogonalen α, β-Koordinatensystem beschreiben. Ein sich anschließender Vektordreher transformiert diese Komponenten in ein weiteres Bezugssystem, das mit einer vorgebbaren Transformationsfrequenz rotiert. Die dazugehörigen ortho­ gonalen Komponenten werden nach einer Glättung mittels eines Vektoranalysators in polare Darstellung übergeführt, wobei die Winkelkomponente nach Subtraktion eines Sollwertes Sollwertes als Regelabweichung am Eingang eines Reglers mit integrierendem Anteil anliegt. Dieser Regler gibt durch sein Stellsignal die Frequenz eines Sinus-/Cosinus-Oszillators vor, der wiederum den Vektordreher mit der notwendigen Transfor­ mationsfrequenz versorgt, so daß der Regelkreis geschlossen wird. Diese Frequenz wird durch den Regler bevorzugt so ein­ gestellt, daß die polare Winkelkomponente verschwindet. In diesem Fall rotiert das weitere Bezugssystem gerade mit der Netzfrequenz und der darin liegende Vektor ist relativ zu den Koordinatenachsen in Ruhe. Die Sinus- und Cosinusfunktionen der Transformationsfrequenz am Ausgang des Oszillators werden schließlich als α′, b′-Komponenten eines ruhenden, orthogo­ nalen Koordinatensystems aufgefaßt und nach Multiplikation mit der polaren Betragskomponente über einen "Zwei/Drei-Koor­ dinatenwandler" wieder in ein dreiphasiges, symmetrisches Drehstromsystem rückgeführt. Bei Auftreten eines Netzfehlers wird die auf diese Weise ermittelte netzsynchrone Transfor­ mationsfrequenz für die Bildung der netzsynchronen Referenz­ spannung nach Beendigung der Netzstörung zwischengespeichert und der Regler so lange außer Eingriff genommen. Die Wirk­ samkeit dieser Vorrichtung hängt allerdings entscheidend davon ab, wie schnell ein Netzwächter das Auftreten eines Netzfehlers detektieren und Umschaltmaßnahmen einleiten kann.

Bei bekannten Netzüberwachungsvorrichtungen werden die Netz­ spannungen bzw. deren Beträge mit konstanten Referenzspan­ nungen als Fehlermeldeschwellen überlagert. In Fig. 1 ist z. B. der Betrag einer Netzspannung | U _P | dargestellt, welche mit Hilfe zweier unterschiedlich hoher konstanter Referenzspan­ nungen S 1 und S 2 auf Unterspannungszustände überwacht wird. Dabei treten zu Beginn und am Ende einer jeden Halbschwingung auch im ungestörten Netzbetrieb Schnittpunkte mit den Refe­ renzspannungen auf, wobei periodisch unsinnige Fehlermeldun­ gen F _{S 1}, F _{S 2} ausgelöst werden. Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, ist zwar bei der größeren Referenzspannung S 1 die Er­ fassungszeit von insbesondere im Bereich eines Spannungs­ maximums auftretenen Netzfehlers theoretisch kürzer als bei der Spannung S 2. Jedoch wird die Überwachungsvorrichtung auch mit erheblich längerer unsinnigen Fehlermeldungen F _{S 1} be­ lastet, welche weggefiltert bzw. unterdrückt werden müssen. So wird die Erfassungszeit tatsächlich durch deren Dauer begrenzt, da ein echter Fehler nur dann als solcher erkannt werden kann, wenn er länger andauert als die unsinnigen Fehlermeldungen.

Bei einer weiteren bekannten Netzüberwachungsvorrichtung werden die Beträge aller Phasenspannungen aufsummiert und mit einer konstanten Referenzspannung überwacht. Da die absolute Schwankungsbreite der Summenspannung relativ gering ist und somit keine Nullpunkte mehr auftreten, können bei geeigneter Wahl der konstanten Referenzspannung periodische Schnitt­ punkte im ungestörten Netzbetrieb, und damit unerwünschte periodische Fehlermeldungen, im Prinzip vermieden werden. Die Ansprechempfindlichkeit dieser Fehlererfassung wird aller­ dings durch die Summation der Phasenspannungen beeinträch­ tigt. So kann der Spannungseinbruch im Summensignal z. B. bei einem kurzzeitigen einpoligen Fehler so gering sein, daß die konstante Referenzspannungsschwelle nicht unterschritten wird. Ferner ist es aufgrund der Summenbildung nicht mehr möglich, die vom Fehler betroffene(n) Phase(n) zu selektieren und somit die vorliegende Netzfehlerart zu erkennen. Da auf­ grund der geringen Ansprechempfindlichkeit in diesem Fall der Wert der konstanten Referenzspannung unter Umständen recht groß gewählt werden muß, besteht weiterhin die Gefahr der Auslösung von unsinnigen Fehlermeldungen durch Netzober­ schwingungen. Deren Rauschen kann sich durch die Summation der Phasenspannungen verstärkt auf die zu überwachende Spannung übertragen.

So ist bei allen Netzüberwachungsvorrichtungen mit konstanten Referenzspannungen zur Detektion von Fehlern ein Kompromiß zwischen einer gewünschten Erfassungszeit und der Notwendig­ keit nicht aussagekräftige Fehlermeldungen zu unterdrücken bzw. auszufiltern, notwendig. Aus diesen Gründen liegen in der Praxis die hierbei minimal möglichen Erfassungszeiten in der Größenordnung von ca. 7 bis 15 ms.

Erfassungszeiten dieser Größe sind aber bei bestimmten Netz­ überwachungen nicht brauchbar. Aufgrund zu berücksichtigender Anregelzeiten muß der auf die eigentliche Erfassung des Netz­ fehlers entfallende Anteil der Verzugszeit so gering als mög­ lich gehalten werden, der vergeht, bis spezielle Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen zum Mindern der Auswirkungen des Fehlers in Eingriff sind. Insbesondere bei der Verbindung von Netzen über sogenannte "Kurzkupplungen" aus einem Hoch­ spannungs-Gleichstromübertragungskreis werden äußerst kurze Zeiten für die Erfassung von Netzfehlern gefordert. Bei solchen Vorrichtungen wird abhängig vom Umfang des Fehlers versucht, dennoch die Wirkleistungsübertragung so weit als möglich aufrechtzuerhalten. Dies ist insbesondere bei ein­ poligen Fehlern möglich. Zumindest soll bei mehrpoligen Fehlern die Blindleistungsübertragung aufrechterhalten wer­ den, um ein vollständiges Außer-Betrieb-Gehen der Netzkupp­ lung und die darauf beruhenden Probleme beim Wiederanfahren zu vermeiden. Hierzu muß auf die Steuerung der Ventile im Gleich- bzw. Wechselrichter der Hochspannungs-Gleichstrom­ übertragung so schnell eingegriffen werden, daß insbesondere der Zwischenkreisstrom auch während des Netzfehlers weiter­ fließen kann und nicht als kurzschlußartiger Überstrom aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden muß. Zum Auslösen dieser Steuerungs- bzw. Regelungsmaßnahmen ist aber eine Einzelüberwachung der Netzphasen, eine schnelle Detektion des unmittelbaren Eintritts des Netzfehlers und möglichst die Kenntnis der Art des vorliegenden Netzfehlers notwendig.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe obige Anfor­ derungen erfüllt werden können. Insbesondere soll die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft bei der Steuerung und Regelung von Kurzkupplungen im Falle eines Netzfehlers ver­ wendet werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem das zu überwachende Wechselstromnetz in ein Referenzsystem gleicher Phasenanzahl abgebildet wird, deren dynamische Referenz­ spannungen im eingeschwungenen Zustand den Spannungen des zu überwachenden Wechselstromnetzes in Frequenz und Phasenlage identisch sind, und das Auftreten eines Fehlers aus der unmittelbaren Abweichung der aktuellen Verläufe der Spannung des zu überwachenden Wechselstromnetzes von den diesen zuge­ ordneten dynamischen Referenzspannungen erkannt wird. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen des Verfahrens und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen enthalten. Ferner wird je eine erfinderische Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung angegeben.

Anhand der folgenden Fig. 2 bis 7 wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die Überwachung einer Phasenspannung mit konstanten Referenzspannungen nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die Überwachung einer Phasenspannung mit einer dyna­ mischen Referenzspannung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 beispielhaft die Detektion eines Netzfehlers mit Hilfe einer dynamischen Referenzspannung,

Fig. 4 die Detektion von Netzfehlern mit einer in ihrer Ampli­ tude angepaßten und nullpunktsverschobenen dynamischen Refe­ renzspannung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 eine vorteilhafte Ausführung einer Abbildungsvorrich­ tung zur Bildung der dynamischen Referenzspannungen, und

Fig. 7 eine vorteilhafte Ausführung einer Vergleichsvorrich­ tung für Netz- und Referenzspannungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Überlegung aus, daß Abweichungen vom ungestörten Zustand eines zu überwachen­ den Istverlaufes, besonders einer sinusförmigen Phasenspannung in einem elektrischen Netz, ohne nennenswerte Verzögerung erfaßt werden können, wenn zum Vergleich ein identischer Sollverlauf als Referenz zur Verfügung steht. Dabei ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß diese "dynamische Refe­ renz" dem zu überwachenden Istverlauf mit möglichst gleicher Frequenz ohne Phasenverzögerung folgt. Die Amplituden der dynamischen Referenzspannungen werden bevorzugt entsprechend der Netz-Nennspannung vorgegeben, so daß sich theoretisch deckungsgleiche Verläufe zwischen den zu überwachenden Netz­ spannungen und den entsprechenden dynamischen Referenzspannun­ gen erzeugen lassen. Bei Frequenzänderungen werden die Refe­ renzspannungen so "nachgeführt", daß es bei den im Normal­ betrieb vorkommenden langsamen Frequenzschwankungen nicht zu nennenswerten Abweichungen vom Istverlauf kommt, während bei Netzfehlern die Netzfrequenz quasi "gespeichert" ist. So sind sprungartige, kurzzeitige Netzfehler beinahe verzögerungsfrei detektierbar, ohne daß dies zu einer Veränderung in Frequenz und Phasenlage der dynamischen Referenzspannungen führt. Um­ gekehrt ist es besonders vorteilhaft, die Fehlerdetektion erst dann freizugeben, nachdem die Frequenzabweichung von Referenz- zu Netzspannungen einen vorgegebenen Grenzwert unterschritten hat. Auf diese Weise lassen sich Fehlauslö­ sungen von Fehlermeldungen aufgrund von Einschwingvorgängen in den Referenzspannungen unterdrücken. Ferner wird jederzeit die notwendige Frequenzidentität zwischen Referenz- und Netz­ spannungen sichergestellt, ohne die eine dynamische Überwa­ chung überhaupt nicht möglich ist.

In Fig. 2 ist beispielhaft der Betrag einer zu überwachenden Netzspannung | U _P | dargestellt. Die dazugehörige dynamische Referenzspannung | U _DRS | ist gestrichelt eingezeichnet und hat aus Gründen der Störsicherheit eine geringfügig kleinere Amplitude als die Netzspannung. Aus praktischen Gründen bietet wegen des Wegfalls des periodische wechselnden Vor­ zeichens der Vergleich der Spannungsbeträge Vorteile gegen­ über dem im Prinzip auch jederzeit möglichen direkten Ver­ gleich der Wechselspannungen. Entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel eines Netzfehlers ist mit dem Prinzip der "dynamischen Referenzspannungen" eine nahezu verzögerungs­ freie Auslösung von Fehlermeldesignalen Z _P möglich. Nur im Bereich der Nullpunkte der zu überwachenden Netzspannungen sind theoretisch noch kurzzeitige Fehlauslösungen F _DR mög­ lich. Deren Zeitdauern sind aber im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Fig. 1 vernachlässigbar kurz. Solche Fehlaus­ lösungen, die insbesondere bei einer leichten Oberschwin­ gungsverseuchung der Netzspannungen auftreten, sind auf vorteilhafte Weise dadurch zu vermeiden, daß die dynamischen Referenzspannungen mittels einer geringfügigen Nullpunktsver­ schiebung leicht in den negativen Bereich verschoben werden, wie dies u. a. in Fig. 4 dargestellt ist. Die sich dann im Bereich der Nullpunkte ergebende kurzzeitige Unterbrechung eines anstehenden Fehlermeldesignals läßt sich z. B. mittels einer Ausschaltverzögerung vorteilhaft auf einfache Weise überbrücken.

Diese Nullpunktsverschiebung führt zwar dazu, daß außerhalb des Bereiches der Spannungsmaxima auftretende Netzfehler weniger stark bewertet werden. Die Detektion von unmittelbar um den Netzspannungsnullpunkt herum auftretenden Fehlern wird sogar unterdrückt. Dieses Verhalten ist jedoch bei gewissen Anwendungen durchaus erwünscht. So sind bei der Steuerung und Regelung der bereits erwähnten "Kurzkupplungen" hauptsächlich Netzfehler von Bedeutung, die sich im mittleren und maximalen Amplitudenbereich der Netzspannungen ereignen. Bei geeigneter Auswahl der Amplitude der dynamischen Referenzspannungen be­ steht dabei vielmehr die Möglichkeit, eine Netzspannung ins­ besondere im Amplitudenmaximum auf eine bestimmte Unterschrei­ tung hin zu überwachen. In einer weiteren Ausbildung der Er­ findung ist es hierfür besonders vorteilhaft, mehrere frequenz- und phasengleiche Referenzsysteme mit dynamischen Referenzspannungen unterschiedlicher Amplitude zu bilden.

Bekanntlich werden die elektrischen Verhältnisse in einem Netz, insbesondere im Falle einer Netzstörung, hauptsächlich durch die Impedanzen der darin vorhandenen Betriebsmittel bestimmt, wie z. B. der Transformatoren, Freileitungen, Drosselspulen u. ä.. Bei der Beschreibung eines dreiphasigen Drehstromnetzes mittels symmetrischer Komponenten spalten sich diese Betriebsmittelimpedanzen in eine Mit-, Gegen- und Nullimpedanz auf. Insbesondere in die Nullimpedanz gehen abhängig von der "Sternpunktbehandlung" des zu überwachenden Netzes auch Erdungsimpedanzen der Sternpunkte, Ableitungs­ impedanzen u. ä. mit ein. Diese Impedanzen liegen in Form von Netzkenngrößen vor, bzw. sind auf meßtechnischem Wege zu ermitteln. Häufig ist bereits allein aufgrund des Verhält­ nisses von Null- zu Mitimpedanz die bei einem bestimmten Netzfehler maximal zu erwartende Amplitude in der oder den betriebsfrequenten, "gesunden" Phasenspannungen bekannt. So liegt dieser Wert je nach Impedanzverhältnis z. B. bei einem einpoligen Erdschluß in der Phase R in der gesunden Phase T theoretisch zwischen 50 und 100% der Nennspannung, während er bei einem zweipoligen Kurzschluß mit Erdberührung zwischen 0 und 86% liegt. Werden nun im Hinblick auf eine oder mehrere bestimmte Fehlerarten die Amplituden der sich auf eine be­ stimmte Phasenspannung beziehenden dynamischen Referenzspan­ nungen mehrerer Referenzsysteme geeignet ausgewählt, so ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren neben der eigentlichen schnellen Detektion des Netzfehlers auch eine Detektion der aktuell vorliegenden Netzfehlerart möglich. Aus diesem Grund ist beispielhaft in Fig. 4 die Amplitude der dynamischen Refe­ renzspannung U _DRS so gewählt, daß ein erster Netzfehler mit geringer Spannungsabsenkung nicht detektiert wird, während dies bei dem zweiten Netzfehler mit starker Spannungsabsen­ kung mit Sicherheit der Fall ist.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß nach Detektion einer ersten Störung die Detektion einer weiteren Störung erst dann ermöglicht wird, nachdem die erste Störung bereits eine vorgebbare Zeit lang beendet ist. Hierdurch wird auch bei einem periodisch wieder­ kehrenden Netzfehler ein Dauerfehlermeldesignal erzeugt. Schließlich können als dynamische Referenzspannungen statt Phasenspannungen, d. h. Leiter-Erdspannungen, vorteilhaft auch verkettete Spannungen, d. h. Leiter-Leiterspannungen, verwen­ det werden. Insbesondere bei der gleichzeitigen Überwachung eines Netzes mit mehreren Sätzen von dynamischer Referenz­ spannungen unterschiedlicher Amplitude können die Spannungs­ arten auch gemischt verwendet werden.

Aufgrund der bei Verwendung von dynamischen Referenzspannun­ gen zu erreichenden Fehlererfassungszeiten von 1 bis 5 ms bei Netzspannungsfrequenzen im Bereich von 40 bis 70 Hz ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zum Einleiten von Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen geeignet, um bei der be­ reits erwähnten Kurzkupplung je nach Umfang der Störung die Energieübertragung so weit wie möglich aufrechtzuerhalten. Sind bei einer solchen Hochspannungs-Gleichstromübertragung die Gleichrichter- und Wechselrichterstationen mit elektro­ nischen Schaltern ausgerüstet, insbesondere Thyristoren, so muß auf deren Steuerung unmittelbar nach Eintritt des Fehlers möglichst schnell eingegriffen werden können. Liegt z. B. ein mehrpoliger Fehler auf der Wechselrichterseite vor, so wird zur Reduzierung des kurzschlußartig anwachsenden Zwischen­ kreisstromes schnell auf die Steuerung des Gleichrichters eingegriffen, um ein Auslösen von Überstromschutzvorrich­ tungen zu verhindern und den Stromfluß im Zwischenkreis zu erhalten. Um somit zumindest Blindleistung zu übertragen, muß im Wechselrichter ein "Bypass" für den Zwischenkreisstrom aufgebaut werden. Hierzu müssen so schnell als möglich die­ jenigen in Reihe liegenden Ventile gezündet werden, die noch positive Spannungszeitfläche haben. Das Gelingen dieser Maß­ nahmen ist wesentlich von der schnellen Detektion des Netz­ fehlers und der jeweils vorliegenden Fehlerart abhängig.

In Fig. 5 ist in Form eines Blockschaltbildes eine vorteil­ hafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens dargestellt. Diese enthält eine von den Spannungen U _P des zu überwachenden Netzes NS versorgte Abbildungsvorrich­ tung ABV. Diese erzeugt mindestens ein Referenzsystem DRS 1, welches gegenüber dem zu überwachenden Netz die gleiche Frequenz und Phasenlage hat, bevorzugt mit dem Phasenwinkel Null. Die Amplitude der dynamischen Referenzspannungen stimmt bevorzugt mit dem Wert der Nennspannung des zu überwachenden Netzes überein. Insbesondere bei Vorhandensein mehrerer Referenzsysteme DRS 1, DRS 2, . . . sind die Amplituden der jeweiligen Sätze der dynamischen Referenzspannungen insbe­ sondere zur Detektion der Fehlerart untereinander abgestuft. Schließlich können die dynamischen Referenzspannungen ent­ weder als Phasen- oder als verkettete Spannungen aufgefaßt werden, bzw. es werden diese Spannungsarten bei mehreren Referenzsystemen auch gemischt ausgegeben. Zum Vergleich eines jeden dieser Referenzsysteme mit dem zu überwachenden Netz dient je eine Vergleichsvorrichtung VV 1, VV 2, . . ., welche je einen in Fig. 5 als Balken dargestellten Satz Z 1, Z 2, . . . von Meldesignalen ausgeben. Diese zeigen insbesondere getrennt für jede Phase Abweichungen der jeweiligen Netz­ spannung von dem durch die dazugehörige dynamische Referenz­ spannung vorgegebenen Sollverlauf an und/oder stellen ein für alle Phasen gemeinsames Summenfehlermeldesignal zur Verfü­ gung. Diese Meldesignalsätze Z 1, Z 2, . . . können in nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehörigen Verarbeitungs­ einheiten dazu benutzt werden, um insbesondere abhängig von der jeweiligen Fehlerart die gewünschten Steuerungs- und Re­ gelungsmaßnahmen auszulösen.

In Fig. 6 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Abbildungsvorrichtung ABV dargestellt. Dabei werden in einem ersten Koordinatenwandler KW 1 die Spannungen U _P des zu überwachenden Netzes, welche bevorzugt Phasenspannungen sind, in "(ständerbezogene) Orthogonalkomponenten" nach DIN 13 321 umgewandelt, da dreisträngige Drehstromsysteme sich bei Symmetrie (d. h. bei verschwindender Homopolarkomponente) auch mit zwei Strängen darstellen lassen. Diese bilden ein ruhen­ des orthogonales Bezugssystem, in dem ein durch die Orthogo­ nalkomponenten g _α und g _b beschriebener Vektor mit einer der Netzfrequenz entsprechenden Winkelgeschwindigkeit ω ro­ tiert. Ein zweiter Koordinatenwandler KW 2 transformiert diese Orthogonalkomponenten weiter in "(läuferbezogene) Zweiachs­ komponenten", ebenfalls nach DIN 13 321. Diese orthogonalen Komponenten g _d und g _q , als auch Längs- und Querkomponente bezeichnet, beschreiben einen mit der Netzfrequenz rotieren­ den Vektor, der sich in einem mit der Winkelgeschwindigkeit ω _r als Transformationsfrequenz rotierenden frequenztrans­ formierten Bezugssystem d, q befindet. Die Transformations­ frequenz ω _r wird dem Wandler KW 2 bevorzugt in Form der Funktionen sin l _r t und cos ω _r t vorgegeben. Die Abweichung einer dieser beiden Komponenten, bevorzugt der Querkomponente g _q , von einem vorgegebenen Sollwert q* wird einer Regelein­ richtung R vorgegeben, welche in ihrem Übertragungsver­ halten mindestens einen "I-Anteil" hat. Das Stellsignal des Reglers steuert die Frequenz eines einstellbaren Oszillators OS, der in Fig. 6 als Spannungs-Frequenzwandler U /f _r darge­ stellt ist. Dieser gibt die erzeugte Frequenz an seinem Ausgang bevorzugt in Form der normierten Funktionen sin ω _r t und cos ω _r t ab, welche einen mit der Winkelgeschwindigkeit ω _r rotierenden Einheitsvektor darstellen. Beide Funktionen werden auf den zweiten Koordinatenwandler KW 2 rückgeführt und geben dort die Transformationsfrequenz ω _r vor. Der Sollwert für die Querkomponente g _Q wird bevorzugt zu Null vorgegeben. Die Regeleinrichtung R stellt die Transformationsfrequenz ω _r folglich so, daß der mit Netzfrequenz ω rotierende Vektor im d, q-System auf der d-Achse zu liegt und relativ zum Koordina­ tensystem in Ruhe ist. Die gewünschten "dynamischen Referenz­ spannungen" eines Referenzsystems werden schließlich gebil­ det, indem die als α′, β′-Orthogonalkomponenten g′ _α und g′ _β aufgefaßten Ausgangsfunktionen des einstellbaren Oszillators OS über mindestens einen dritten Koordinatenwandler KW 31 wieder in dreiphasige Darstellung rückgeführt werden. Die Amplitude der Referenzspannungen kann als Sollwert | U |* _{DRS 1} vorgegeben werden. Es ist besonders vorteilhaft, die Abbil­ dungsvorrichtung ABV am Ausgang um weitere Koordinatenwandler zu erweitern, so daß Referenzsysteme unterschiedlicher Ampli­ tude erzeugt werden können. In Fig. 6 ist beispielhaft der Wandler KW 32 zusätzlich dargestellt, der das Referenzsystem DRS 2 der Amplitude | U |* _{DRS 2} erzeugt. Die Koordinatenwandler KW 31, KW 32, . . . können auch so ausgebildet sein, daß das Referenzsystem den verketteten Netzspannungen entspricht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dem einstellbaren Oszillator OS die bekannte Nennfrequenz des zu überwachenden Netzes f _N zusätzlich vor­ gegeben. Die Regeleinrichtung R braucht somit nur noch Stell­ inkremente um diesen Arbeitspunkt herum auszugeben, wodurch die Schnelligkeit der Regelung verbessert wird.

In Fig. 7 ist ein vorteilhaftes Beispiel einer der Vergleichs­ vorrichtungen VV ebenfalls in dreiphasiger Ausführung darge­ stellt. Dabei werden die zu überwachenden Netzspannungen NS einem Satz von Betragsbildnern BN 1-BN 3 und die dazugehöri­ gen dynamischen Referenzspannungen des jeweiligen Referenz­ syxstems DRS 1, DRS 2, . . . einem weiteren Satz von Betragsbild­ nern BR 1-BR 3 zugeführt. Zur Erzeugung je eines phasenbe­ zogenen Meldesignals Z _{P 1}-Z _{P 3} bei Abweichung der Netz- von den Referenzspannungen dient je ein Komparator K 1-K 3.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Vergleichsvorrichtung VV um Mittel S 1-S 3 zu erweitern, mit denen der Nullpunkt der Beträge der dynamischen Referenz­ spannungen um NV verschoben werden kann. Die Mittel sind bevorzugt Subtrahierer. Bei geeigneter Auswahl des Wertes NV ist, wie oben bereits ausgeführt und z. B. in Fig. 4 darge­ stellt, auch im Bereich der Nullpunkte der Netzspannungen eine ausreichende Störsicherheit sicherzustellen.

Es ist vorteilhaft, jede der Vergleichsvorrichtungen VV 1, VV 2, . . . zur Bildung eines Summenfehlermeldesignales ZS zu erweitern. Hierzu werden die phasenbezogenen Meldesignale Z _{P 1}-Z _{P 3} über ein ODER-Glied OR zusammengefaßt. Dessen Ausgangssignal steuert ein logisches Speicherglied FP an dessen Steuereingang S an, wobei das Ausgangssignal zur Unterdrückung von Störungen vorher vorteilhaft mittels einer einstellbaren Einschaltverzögerung EV 1 gefiltert wird. Am Ausgang des Speichergliedes FP steht das Summenfehlermelde­ signal ZS solange an, bis ein verschwindendes Setzsignal über eine einstellbare Abschaltverzögerung AV 1 das Speicher­ glied an dessen Rücksetzeingang R inaktiv schaltet. Bei ge­ eigneter Auswahl des Wertes der Abschaltverzögerung AV 1 ist auf diese Weise auch bei einem periodisch wiederkehrenden Netzfehler ein ununterbrochenes Summenfehlermeldesignal ZS erzeugbar.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, jede der Vergleichsvorrichtungen VV 1, VV 2, . . . so zu erweitern, daß die Bildung insbesondere des Summenfehlermeldesignals ZS nur dann möglich ist, wenn die Abbildungsvorrichtung ABV auf die Frequenz des zu überwachen­ den Netzes eingeschwungen ist. Hierzu wird die Regelabwei­ chung Δ q der Regelvorrichtung R über einen zusätzlichen Betragsbildner BRA einem zusätzlichen Komparator KRA zuge­ führt und auf Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellen­ wertes Δ q _MAX überwacht.

Ist dies der Fall, so wird über eine zusätzliche Abschalt­ verzögerung AV 2 das über die Einschaltverzögerung EV 1 gefil­ terte Setzsignal S für das logische Speicherglied FP frei­ gegeben. Als Freigabeeinheit dient hierbei ein zwischenge­ schaltetes logisches UND-Glied AND.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft zum Einlei­ ten spezieller Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen bei Kurz­ kupplungen verwendbar, wie dies oben bereits ausgeführt wurde. Ferner läßt sie sich auch besonders vorteilhaft z. B. in die in der DE-OS 33 46 291 beschriebenen Vorrichtung integrieren, bei der ein der Abbildungsvorrichtung ABV sehr ähnlicher Teil bereits vorhanden ist und die Fehlermelde­ signale Z unmittelbar Verwendung finden.

Claims (17)

1. Verfahren zur schnellen Detektion von Fehlern in einem n-phasigen Wechselstromnetz (NS), insbesondere von kurz­ zeitigen Unterspannungszuständen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zu überwachende Wechsel­ stromnetz in ein Referenzsystem (DRS 1) gleicher Phasenzahl abgebildet wird, deren dynamische Referenzspannungen im ein­ geschwungenen Zustand den Spannungen (U _P ) des zu überwachen­ den Wechselstromnetzes in Frequenz und Phasenlage identisch sind, und das Auftreten eines Fehlers aus der unmittelbaren Abweichung der aktuellen Verläufe der Spannungen (U _P ) des zu überwachenden Wechselstromnetzes (NS) von den diesen zuge­ ordneten dynamischen Referenzspannungen (U _DRS ) erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beträge der zu überwachenden Netzspannungen und der dynamischen Referenzspannungen mitein­ ander verglichen werden.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehler­ detektion nur dann freigegeben wird, wenn die Frequenzabwei­ chung zwischen den dynamischen Referenzspannungen und den Spannungen des zu überwachenden Wechselstromnetzes kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerdetektion in einer der Phasen des Wechselstromnetzes dann unterdrückt wird, wenn der Betrag der jeweiligen Phasenspannung gleich oder nahe dem Wert Null ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere frequenz- und phasengleiche Referenzsysteme mit unterschiedlichen Referenz­ spannungsamplituden gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß unter Berücksichtigung der im zu überwachenden Wechselstromnetz vorliegenden Netzverhältnisse, insbesondere der Netzimpedanzen, die Amplituden der dyna­ mischen Referenzspannungen so gewählt werden, daß das Vor­ liegen einer speziellen oder mehrerer möglicher Netzfehler­ arten detektiert werden kann.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Detektion einer ersten Störung eine erneute Detektion einer weiteren Störung erst dann freigegeben wird, nachdem die erste Störung eine vorgebbare Zeit lang beendet ist.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dyna­ mischen Referenzspannungen und die entsprechenden Spannungen des zu überwachenden Wechselspannungsnetzes Leiter-Erd- und/oder Leiter-Leiterspannungen sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
a) eine von den Spannungen (U _P ) des zu überwachenden Wechsel­ stromnetzes (NS) geführte Abbildungsvorrichtung (ABV) , welche ein oder mehrere zum Wechselstromnetz frequenz- und phasen­ gleiche Referenzsysteme bildet (DRS 1, DRS 2, . . .), deren dyna­ mische Referenzspannungen unterschiedliche Amplituden haben und/oder ein Abbild der Leiter-Erd- oder Leiter-Leiterspan­ nungen des zu überwachenden Netzes sind, und
b) eine der Anzahl an Referenzsystemen entsprechende Anzahl an Vergleichsvorrichtungen (VV 1, VV 2, . . .), welche aus dem Vergleich der Netzspannungen (U _P ) mit den dazugehörigen dynamischen Referenzspannungen der Referenzsysteme Melde­ signale (Z 1, Z 2, . . .) über die Detektion von Netzfehlern bilden.

10. Vorrichtung mit einem dreiphasigen, symmetischen Dreh­ stromnetz als zu überwachendes Wechselstromnetz und eine Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 9, gekenn­ zeichnet durch
a) einen ersten Koordinatenwandler (KW 1), der die Spannungen des Drehstromnetzes in einen mit der Netzfrequenz rotieren­ den Vektor, dargestellt durch Orthogonalkomponenten (g _α , g _β ) in einem ruhenden Koordinatensystem α, β, abbildet,
b) einen Oszillator (OS) mit einstellbarer Frequenz,
c) einen zweiten Koordinatenwandler (KW 2), der den rotieren­ den Vektor in einen zweiten Vektor abbildet, welcher in einem mit der Winkelgeschwindigkeit ω _r rotierenden orthogonalen Koordinatensystem d, q durch Zweiachskomponenten (g _d , g _q ) beschrieben wird, wobei dem Koordinantenwandler die Winkel­ geschwindigkeit ω _r durch den Oszillator (OS) vorgegeben wird,
d) eine Regeleinrichtung (R) mit mindestens integrierendem Übertragungsverhalten, welche auf die Frequenz des Oszilla­ tors als Stellgröße so einwirkt, daß der zweite Vektor auf der q-Achse des rotierenden Koordinatensystems liegt, und
e) mindestens einen dritten Koordinatenwandler (KW 31), der die Komponenten (g _a ′, g _β ′) in einem ruhenden, orthogonalen Koordinatensystem α′, β′ am Ausgang des Oszillators in drei symmetrische Drehspannungen rückführt, die nach Vor­ gabe der gewünschten Amplitude den dynamischen Referenzspan­ nungen des jeweiligen Referenzsystems entsprechen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abbildungsvorrichtung (ABV) über einen zusätzlichen Eingang die Nennfrequenz des zu überwachenden Netzes (f _N ) als Arbeitspunkt für den Oszillator (OS) vorgegeben wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch
eine Vergleichsvorrichtung mit
a) je einem Betragsbildner (BN 1, . . .) für die Spannungen des zu überwachenden Wechselstromnetzes (NS),
b) je einem weiteren Betragsbildner (BR 1, . . .) für die dyna­ mischen Referenzspannungen eines der Referenzsysteme (DRS), und
c) je einem Komparator (K 1, . . .) zur Abgabe je eines phasen­ bezogenen Meldesignales (Z _{P 1}, . . .), wenn das am einen Eingang des Komparators eingespeiste Ausgangssignal eines der Betrags­ bildner für die Spannungen des Netzes das am anderen Eingang des Komparators eingespeisten Ausgangssignal des entsprechen­ den Betragsbildners für die dynamischen Referenzspannungen unterschreitet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede der Vergleichsvorrich­ tungen (VV 1, . . .) zusätzliche Mittel (S 1, . . .) enthält, mit deren Hilfe die Ausgangssignale der weiteren Betragsbildner (BR 1, . . .) für die dynamischen Referenzspannungen um einen vorgebbaren Wert (NV) verschoben werden können.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenbezogenen Meldesignale (Z _{P 1}, . . .) über ein ODER-Glied (OR) zusammengefaßt werden, dessen Ausgangssignal über eine einstellbare Einschaltverzögerung (EV 1) auf den Setzeingang (S) eines logischen Speichergliedes (FP) einwirkt, welches ein Summenmeldesignal (ZS) abgibt, und daß das am Setzeingang anliegende Signal über eine einstellbare Abschaltverzögerung (AV 1) zusätzlich auf den Rücksetzeingang (R) des logischen Speichergliedes (FP) gelegt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeich­ net durch eine Vergleichsvorrichtung mit
a) einem zusätzlichen Betragsbildner (BRA) für die Regelab­ weichung (Δ q) der Regeleinrichtung (R),
b) einem zusätzlichen Komparator (KRA), an dessen einem Eingang das Ausgangssignal des zusätzlichen Betragsbildners (BRA) und an dessen anderem Eingang ein vorgebbarer Schwellen­ wert (Δ q _MAX ) anliegt, und der ein aktives logisches Signal abgibt, wenn das Signal an dessen einem Eingang größer als das an dessen anderem Eingang ist, und
c) einem in der Signalzuführung zum Setzeingang (S) des logischen Speichergliedes (FP) zusätzlich vorhandenen logischen UND-Glied (AND), dessen zweiter Eingang über eine zusätzliche Abschaltverzögerung (AV 2) vom Ausgangssignal des zusätzlichen Komparators (KRA) angesteuert wird.

16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei der Kurzkupplung von Netzen mittels Hochspannungs- Gleichstromübertragungen zum schnellen Einleiten spezieller Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen bei Netzfehlern, um je nach Umfang der Störung ein vollständiges Außer-Betrieb-Gehen der Kurzkupplung zu verhindern.

17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15 bei der Kurzkupplung von Netzen mittels Hochspannungs- Gleichstromübertragungen zum schnellen Einleiten spezieller Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen bei Netzfehlern, um je nach Umfang der Störung ein vollständiges Außer-Betrieb-Gehen der Kurzkupplung zu verhindern.