DE4100646C2

DE4100646C2 - Verfahren und Anordnung zum Schutz von Distantschutzeinrichtungen vor unerwünschter Auslösung während transierter Leistungspendelungen

Info

Publication number: DE4100646C2
Application number: DE4100646A
Authority: DE
Inventors: Jan Prof Dr Ing Machowski; Dieter Prof Dr Ing Nelles
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Areva Energietechnik GmbH
Priority date: 1991-01-11
Filing date: 1991-01-11
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2011-01-12
Also published as: DE4100646A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Schutz von Distanzschutzeinrichtungen vor unerwünschter Auslösung während transienter Leistungspendelungen, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2, 8 und 9.

Es ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren zum Schutz von Distanzschutzeinrichtungen vor unerwünschter Auslösung bei Leistungspendelungen in elektrischen Energieverteilungsnetzen bekannt (EP 0 319 151 A1). Mit dieser Anordnung werden Blockiersignale aus mehreren Signalen erzeugt. Eines der Blockiersignale bezieht sich auf eine Stromkomponente des Gegensystems. Ein zweites Blockiersignal bezieht sich auf eine Stromkomponente des Nullsystems, und ein drittes Blockiersignal betrifft eine Größe, die sich aus den Werten vor und nach einem Fehler ergibt.

Die Bedeutung von Pendelsperren in elektrischen Versorgungsnetzen

Jede Störung in einem Übertragungsnetz ist mit Netzpendelungen (Netzschwingungen) verbunden. Verursacht durch die Netzschwingungen kann die von Schutzeinrichtungen gemessene Impedanz die Auslösegrenze überschreiten und zu unerwünschten Auslösungen in Netzbezirken führen, die nicht von einem Fehler betroffen sind. Deshalb ist es für den Distanzschutz wichtig, während der transienten Netzpendelungen nicht auszulösen und es dem System zu ermöglichen, nach der Fehlerklärung stabil weiterzuarbeiten. Zu diesem Zweck sollten die Distanzschutzeinrichtungen für stark ausgelastete Leitungen mit einer Hilfseinrichtung ausgestattet sein, die die Netzpendelungen erkennt und die daraufhin die Auslösefunktionen des Hauptleitungsschutzes unterbindet.

Gegenwärtiger Stand der Lösungen

Es gibt zwei völlig unterschiedliche Verfahren, Schutzeinrichtungen gegen unnötiges Abschalten bei Leistungspendelungen zu schützen.

Die erste Methode wird als "Freigabe-Prinzip" bezeichnet (E.M Snierson: "Distanzschutz", in Engergoizdat, 1986, Seiten 3, 122-137, 321-349 und 440-443 in Russisch). Die Distanzschutzeinrichtung ist im Normalbetrieb blockiert und nicht in der Lage, bei einem Fehler selbständig zu reagieren.

Wenn ein Fehler auftritt, überprüft die Freigabe-Hilfseinrichtung auf schnelle Änderung der elektrischen Werte und läßt den Distanzschutz arbeiten, wenn die entsprechenden Bedingungen gegeben sind.

Das Freigabe-Prinzip wird ungern von den Elektrizitätsversorgungsunternehmen eingesetzt, da es folgende Nachteile besitzt:

1. Es reduziert die Zuverlässigkeit des Distanzschutzes, da die einwand freie Funktion der Distanzschutzeinrichtung von der zuverlässigen Arbeit der Freigabe-Einrichtung abhängt.
2. Die Freigabe-Einrichtung verzögert die Abschaltung im Fehlerfall, da der Distanzschutz auf das Freigabe-Kommando warten muß.
3. Im übrigen kann die Freigabe-Einrichtung bei angehobener Empfindlich keit bei Folgefehlern zu Fehlverhalten führen.
4. Schließlich kann es zu Fehlschaltungen kommen, wenn der sehr wahr scheinliche Fall auftritt, daß der Fehler auf beiden Seiten der Lei tungen mit unterschiedlichen Zeiten geklärt wird.

Die zweite Methode wird als "Blockier-Prinzip" bezeichnet (H. Neugebauer: Selektivschutz, Springer Verlag, 1958, Seiten 112-119), (A.R. van C. Warrington: Protective Relays. Their theory and practice, John Wiley and Sons, London, 1977, Seiten 274-284). Hier ist die Distanzschutzeinrichtung stets freigegeben, um auf Fehler zu reagieren. Die Netzpendelungen werden von einer Hilfseinrichtung erkannt. Diese Hilfseinrichtung beobachtet die relativ langsamen Änderungen der elektrischen Größen und blockiert die Distanzschutzeinrichtung gegen unnötiges Abschalten.

Die einfachste und älteste (dritte) Methode zur Realisierung des Blockierprinzips ist der Einsatz einer Unterimpedanz-Pendelsperre. Dieses hat eine Charakteristik, die sich der Anregekennlinie der Distanzschutzeinrichtung anpaßt. Das Blockiersignal wird erzeugt, wenn die Zeitverzögerung zwischen Erreichen der Blockierzone und Erreichen der Anregezone größer als eine vorgegebene Grenze ist. Im Falle eines Systemfehlers arbeiten Blockiereinrichtungen und Distanzeinrichtung gleich schnell, so daß ein Blockiersignal nicht erzeugt wird. Während der Leistungspendelungen besteht eine Zeitverzögerung zwischen beiden Anregungen, und ein Blockiersignal wird erzeugt. Die Unterimpedanzblockierungen wurden für unterschiedliche Distanzschutzeinrichtungen eingesetzt:

1. Verschobene mhO-Charakteristik (Pendelsperr-Zusatz-Relais, Elektrome chanischer TYP YZ/L 3, BBC Information AK 427273, Februar 1970), (Out- of-step Impedance Blocking Relay with After-Effect Type Yi/L for use with Distance Relays type L3WyaS, BBC Relays and Protection Schemes, Information 62-123).
2. Doppelt quadratische Charakteristik (ABB Relays, Type RELZ 100, A full scheme phase and ground distance relay for transmission lines and cables, BO3-7019, March 1989).
3. Doppelte Rhombus-Charakteristik (ABB Relays, Type REZ 1, A full scheme phase and ground distance relay for transmission lines and cables; BO3- 7018, March 1989), (Out-of-step Protection Supplement, Siemens Druck schrift 7 SL 32).
4. Doppelte ovale Charakteristik (Power-swing-blocking relay, type RANZP, ASEA Information BO3-7111E, May 1983), (ASEA Programmable Distance Relay Type RAZOA, Information RK 614-300 E, March 1979).

Die Unterimpedanz-Blockiereinrichtungen haben aber folgende Nachteile:

1. Um auch schnellen Netzpendelungen zu genügen, muß der Einstellbereich der Blockiereinrichtung möglichst weit ausgedehnt werden, so daß er sich mit dem Lastbereich überschneiden kann. Normalerweise liegt der Bereich der Blockiereinrichtung bei 130% des Bereichs der Anregung (GEC-Appli cation Guide "Protective Relays" Third Edition, 1987, Seiten 205-206). Bei stark be lasteten Leitungen ist normalerweise in der Impedanzebene der Abstand zwischen Normalbetrieb und Anregung nicht groß. In solchen Fällen kann die Blockiereinrichtung nicht zwischen Fehler und Pendelungen unter scheiden.
2. Für Netze mit geringer transienter Stabilität können die Lastbedingungen während eines Fehlers so stark schwanken, daß für den Betrieb nach dem Fehler die Impedanz weder die Blockiercharakteristik noch den Anregebe reich verläßt. In einem solchen Fall besteht kein Zeitunterschied zwi schen Anregung und Blockiersignal. Deshalb kann das Blockierkommando nicht abgesetzt werden, die Blockiereinrichtung ist unbrauchbar.

Um diese Nachteile der Unterimpedanzanregung zu umgehen, wurde vorgeschlagen, die Netzpendelungen durch das elektrische Signal |U| cosϕ zu erkennen (F. Ilar: Innovations in the Detection of Power Swings in Electrical Networks, Brown Boveri Review, No. 68, 1981, Seiten 1 bis 6).

Diese Größe wird zweimalig je Netzperiode gemessen als Spannungswert in dem Augenblick, in dem der Strom sein Maximum erreicht (EP-B 0 057 948 B1). Blockiereinrichtungen, die auf dieser Größe basieren, benutzen die Ableitungen d ((|U|) cosϕ)/dt als Blockiersignal (Power Swing Blocking Relais, Modures, Types UP 91, UP 92, LU 91, BBC Protection 66-51, (Publ. Nr. CH-IT 10 83 87 E).

Ein wesentliches Merkmal dieser Größe ist, daß die zeitliche Ableitung d(|U| cosϕ)/dt=β(dδ/dt) proportional zum Rotorschlupf (dδ/dt) und dem Koeffizienten β=∂(|U| cosϕ)/∂δ ist, welche eine kontinuierliche Funktion des Polradwinkels δ mit einem Extremwert bei δ=180° darstellt. Diese Eigenschaft macht das Blockiersignal d(|U| cosϕ)/dt sehr empfindlich auf Leistungspendelungen und erlaubt die Annahme, daß ein Blockierkommando erzeugt werden kann, wenn das Blockiersignal einen gewissen Grenzwert für einen festgelegten Zeitbereich überschreitet. Ein Nachteil dieses Signals ist, daß das Vorzeichen der Größe |U| cosϕ von der Richtung des Leistungsflusses während der transienten Pendelungen abhängt. Aus dieser Tatsache folgt, daß die Blockiersignale d(|U| cosϕ)/dt am empfangenden und sendenden Ende der Leitung unterschiedliche Vorzeichen haben. Ein gegebener Meßpunkt des Schutzes kann abhängig von Fehlerort und Art der Fehlerklärung während des transienten Ausgleichsvorgangs sendend oder empfangend sein. Deshalb wird eine Blockiereinrichtung, die für die sendende Seite konzipiert ist, für die empfangende Seite falsch arbeiten.

Um Leistungspendelungen für beide Leitungsseiten zu erkennen, ist es notwendig, dieses Signal durch |U| cosϕ zu ersetzen. Jedoch verschlechtert diese Modifikation beträchtlich die sonst guten Eigenschaften des Blockiersignals. Mit dieser Modifikation ist der Koeffizient β=|∂|U| cosϕ|/∂ϕ keine kontinuierliche Funktion des Winkels δ mehr und ändert sein Vorzeichen bei δ=180°. Somit ändert das Blockiersignal sein Vorzeichen, wenn die Impedanzortskurve die imaginäre X-Achse schneidet. Eine Einrichtung, die auf diesem Signal basiert, erkennt gut den Beginn von Leistungspendelungen.

Wegen des oben erwähnten Vorzeichenwechsels wird das Signal jedoch während der besonders kritischen Phase beim Winkel δ=180° unterbrochen (dies ist sehr ungünstig). Später entstehen wieder große Werte in dem weiten Bereich kleiner Winkel. Das unterbrochene Blockiersignal kann kaum von einem Hilfsrelais aufrechterhalten werden, solange die Impedanz im Anregebereich bleibt. Die Tatsache, daß das Blockiersignal für kleine Winkel erneut erscheint, ist eine negative Begleiterscheinung, die durch die Verwendung des Signals |U| · cosϕ anstelle von ||U| · cosϕ| verursacht wird.

Für kleine Polradwinkel erzeugt die Meßeinheit unnötigerweise ein Blockiersignal, so daß die Distanzschutzeinrichtung zusammen mit der Blockiereinrichtung nicht vollständig bereit ist, nun auf einen neuen Fehler zu reagieren, der möglicherweise während der Leistungspendelungen auftritt. Solch ein unerwünschtes "Vor-Fehler"-Blockiersignal zusammen mit einem Signal aus der Anregung kann ein Blockierkommando erzeugen, so daß der Schutz nicht auslöst.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Schutz von Distanzschutzeinrichtungen vor unerwünschter Auslösung während transienter Leistungspendelungen gemäß der EP 03 19 151 A1 so weiterzuentwickeln, daß die Zuverlässigkeit von elektrischen Energieversorgungsnetzen durch den Schutz von Distanzschutzeinrichtungen gegen unnötige Abschaltung während Netzpendelungen verbessert wird.

Die Aufgabe wird für das Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen wird der gegenwärtige Stand der Pendelsperr-Technik wesentlich verbessert. Das Blockiersignal zeigt eindeutig an, ob am Meßort ein Sende- oder Empfangszustand vorhanden ist, wenn eine Leistungspendelung einer vorgebbaren Größe erfaßt wird. Für das Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 2 gelöst.

Die Aufgabe wird für die Anordnung durch die Merkmale in den Ansprüchen 8 und 9 jeweils gelöst.

Das Blockiersignal kann demnach auf zweifache Art gewonnen werden. Im allgemeinen reicht für den Schutz die Erzeugung eines Blockiersignals aus. Wenn Redundanz gewünscht wird, können beide Blockiersignale erzeugt werden. Wegen der teilweise unterschiedlichen Herleitung können dabei bestimmte Arten von Fehlern sowohl in der Hard- als auch in der Software vermieden werden.

Das jeweilige Blockiersignal berücksichtigt die Richtung der transienten Leistungspendelungen und tritt mit signifikanten Werten nur in Erscheinung, wenn für große Polradwinkel die Impedanz in den Auslösebereich der Distanzschutzeinrichtung eintreten kann. Für kleine Winkel verschwindet das Signal oder hat einen Wert, dessen Vorzeichen entgegengesetzt zu denen des Grenzwertes ist. Während der Netzpendelungen sind Distanzschutzeinrichtung und Blockiereinrichtung für einen weiten Bereich kleiner Winkel bereit, einwandfrei auf eventuelle Fehler im Netz zu reagieren.

Ein weiterer Nachteil der Pendelsperren, die das Signal |U| · cosϕ verwenden, ergibt sich aus der möglichen Stromwandlersättigung während eines Fehlers mit großem Gleichstromanteil. Zum Zeitpunkt des Fehlers reagiert die Pendelsperre nicht, weil nur ein einziger Signalsprung auftritt (F. Ilar: Innovations in the Detection of Power Swings in Electrical Networks, Brown Boveri Review, No. 68, 1981). Wenn dagegen die Gleichstrom-Komponente schnell abklingt, verläßt der Spannungswandler den Sättigungsbereich, und gleichzeitig nimmt das Signal |U| · cosϕ genau wie bei einer Leistungspendelung ab. Deshalb kann eine unnötige Sperre des Distanzschutzes bei Fehlern mit Stromwandlersättigung auftreten. Besonders in der zweiten Stufe des Distanzschutzes ist also eine Fehlfunktion möglich.

In Anspruch 7 wird eine Methode angegeben, die Pendelsperre während auftretender Stromwandlersättigung gegen Fehlfunktion zu schützen. Das Blockiersignal wird unterbrochen, indem das Vorzeichen der Richtung der Leistungspendelungen zu Null gesetzt wird, wenn der Fehlerstrom eine zweite Harmonische mit großer Amplitude enthält.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 6 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben.

Es zeigt

Fig. 1a ein Schaltbild einer zwischen Sammelschienen verlaufenden elektrischen Übertragungsleitung mit verschiedenen Reaktanz verhältnissen der beiderseits eines Meßorts angeordneten Leitungsabschnitte,

Fig. 1b ein Diagramm eines ersten leistungsorientierten Blockiersignals als Funktion des Polradwinkels in einem kartesischen Koordinatensystem für die Anordnung gem. Fig. 1;

Fig. 2a ein Schaltbild einer zwischen Sammelschienen verlaufenden elektrischen Übertragungsleitung mit verschiedenen Spannungs verhältnissen an den Enden der beiderseits des Meßorts ange ordneten Leitungsabschnitte;

Fig. 2b ein Diagramm eines zweiten leistungsorientierten Blockier signals als Funktion des Polradwinkels in einem kartesischen Koordinatensystem für die Anordnung gem. Fig. 2;

Fig. 3 ein Schaltbild einer zwischen zwei Abzweigen angeordneten Übertragungsleitung zur Darstellung des Richtungsproblems für eine Mehrmaschinenanordnung;

Fig. 4a ein Schaltbild einer Übertragungsleitung mit Fehlern an ver schiedenen Stellen;

Fig. 4b bis e Diagramme typischer Reaktanzkreise mit der Rotationsrichtung während eines asynchronen Zustands;

Fig. 5 einen Impedanzkreis in Polarkoordinaten;

Fig. 6a ein Schaltbild einer Parallelleitung mit einem Fehler;

Fig. 6b den Verlauf von Blockiersignalen bei einem Fehler auf einer Parallelleitung der in Fig. 6a dargestellten Anordnung in Abhängigkeit von der Zeit bei asynchronen Leistungspendelungen;

Fig. 6c den Verlauf des in Fig. 6 dargestellten Blockiersignals in der Impedanzebene;

Fig. 6d den Verlauf von Blockiersignalen bei einem Fehler auf einer Parallelleitung der in Fig. 6a dargestellten Anordnung in Abhängigkeit von der Zeit bei synchronen Leistungspendelungen;

Fig. 6e den Verlauf des in Fig. 6d dargestellten Blockiersignals in der Impedanzebene;

Fig. 7 ein Strukturbild einer Blockiereinrichtung nach dem ersten leistungsorientierten Blockiersignal und

Fig. 8 ein Strukturbild einer Blockiereinrichtung nach dem zweiten leistungsorientierten Blockiersignal.

Eine Übertragungsleitung weist zwei von einem Abzweig 1 ausgehende Leitungsabschnitte 2, 3 auf, die an Abzweigen 4, 5 enden, die von nicht näher bezeichneten Generatoren gespeist werden. Am Abzweig 1 befinden sich ein Meßort und Distanzschutzeinrichtungen 6, 7. Die Generatoren weisen die Spannungen Ea und Eb auf.

Beiderseits des Abzweigs sind die Impedanzen Xa und Xb vorhanden. Es gelten die Beziehungen:

Erzeugung von Blockiersignalen

Es wird mindestens ein Blockiersignal (Signal 1) für die Distanzschutzeinrichtungen 6, 7 durch zeitliche Ableitung einer leistungsbezogenen elektrischen Größe gewonnen, die der Differenz aus Wirk- und Blindleistung proportional ist.

Das erste Blockiersignal ist wie folgt definiert:

Hierbei sind ΔP und ΔQ die Änderungen der Wirk- und Blindleistung während des Zeitintervalls

ist der Betrag der Scheinleistung, und sign=±1 ist eine Variable, die von der Richtung des transienten Leistungsanteils abhängt.

Um zu zeigen, wie das obige Signal in der Lage ist, Leistungspendelungen zu erkennen, soll die Formel etwas umgeschrieben werden:

Hierbei ist der Koeffizient β eine Funktion des Polradwinkels (Winkel) δ, wie in Fig. 2 im Kartesischen Koordinatensystem dargestellt. Die Fig. 1b zeigt den Koeffizienten β1, β2 und β3 für die drei Werte Kx=0,25, Kx=0,5 und Kx=4. Für kleine Winkel δ in der Umgebung von 0° und 360° ist der Koeffizient β negativ und steigt an, wenn der Polradwinkel anwächst. Für große Winkel δ ist der Koeffizient β positiv und erreicht sein Maximum in der Umgebung von δ=180°.

Die Tatsache, daß in einer großen Umgebung des kritischen Winkels δ=180° der Koeffizient β einen großen Wert hat, stellt den großen Vorzug des obigen (Signals 1) dar und macht es als Kriterium für die Erkennung von Leistungspendelungen geeignet.

Ein zweites Blockiersignal (Signal 2) für die Distanzschutzeinrichtung wird durch zeitliche Ableitung aus der leistungsbezogenen elektrischen Größe gewonnen, die einem Quotienten aus Wirkleistung und absolutem Betrag der Scheinleistung am Meßort proportional ist.

Das zweite Blockiersignal 2 ist auf folgende Weise definiert:

Hierbei ist ΔP die Wirkleistungsänderung am Messort des Schutzes, Δt ist das Zeitintervall und S_t=U_n|I| ist der absolute Betrag der Leistung, gebildet aus der Nennspannung und der Stromamplitude. Die Variable sign=±1 hängt von der Richtung der transienten Leistungspendelung ab.

Um die Abhängigkeit des obigen Signals 2 von dem Polradwinkel δ zu zeigen, ist es sinnvoll, die Beschreibungsgleichung umzuformen:

Hierbei ist der Koeffizient (Therm) β eine kontinuierliche Funktion des Polradwinkels δ, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Die Fig. 2b zeigt für die drei Werte K_E=1,5; 1,2 und 0,8 drei Koeffizienten β1, β2 und β3. Für kleine Winkel in der Umgebung von 0° und 360° ist der Term β positiv und erreicht sein Maximum bei δ=180°. Die Tatsache, daß für einen weiten Bereich in der Umgebung von δ=180° der Term β einen großen Wert hat, macht das obige Signal 2 geeignet, Leistungspendelungen zu erkennen.

Die Blockiereinrichtung basiert auf dem ersten oder zweiten Blockiersignal und erzeugt ein Blockierkommando, wenn die Impedanz innerhalb der Anregezone liegt und gleichzeitig das entsprechende Blockiersignal (Signal 1 oder 2) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Erkennung der Richtung von Leistungspendelungen

Die Koeffizienten β in beiden obigen Blockiersignalen (1 oder 2) sind positiv für große Polradwinkel δ, wenn die Variable "sign" die Richtung der Leistungspendelungen richtig erkennt. Während eines transienten Ausgleichsvorgangs in einem Mehrmaschinensystem kann ein vorgegebener Schutzmeßort - abhängig von Fehlerort und Art der Fehlerklärung - zu einem Sende- oder Empfangsort werden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Eine Blockiereinrichtung, die in einer Leitung L1 in Punkt A installiert ist, beobachtet, abhängig vom Fehlerort, Leistungspendelungen in zwei Richtungen. Wenn bei einem Fehler F1 ein mit dem Punkt A verbundener Generator G1 asynchron wird, beobachtet der Schutz am Punkt A in Leitung L1 einen großen Leistungsfluß in Vorwärtsrichtung. Wenn bei einem Fehler F2 ein mit einem Punkt B verbundener Generator G2 asynchron läuft, beobachtet der gleiche Schutz am Punkt A einen Leistungsfluß in Rückwärtsrichtung.

Das Verfahren zur Erkennung der transienten Leistungspendelungen ermittelt die Bewegungsrichtung der Impedanz in der komplexen R-X-Ebene. Während des asynchronen Laufes beschreibt die Impedanz einen Kreis mit dem Radius 1 und einem Mittelpunkt auf der X-Achse mit dem Abstand b zur R-Achse. Beide Parameter ρ und b hängen von den Reaktanzen X_a, X_b sowie den Koeffizienten k_X=X_a/X^b _r/ und k_E=E_a/E_b ab. Typische Anordnungen für solche Kreise sind in Fig. 4b bis 4e gezeigt.

Für den Fall eines Netzes, wie in Fig. 4a, bildet der Einbauort 10 das sendende Ende und der Einbauort 12 das empfangende Ende der Leitung 1. Fig. 4b und Fig. 4d beziehen sich auf das sendende Ende, und Fig. 4c und Fig. 4e beziehen sich auf das empfangende Ende.

Der Zeitpunkt, in dem die Impedanz die imaginäre Achse X schneidet, ist durch ein schwarzes Quadrat gekennzeichnet, wenn der Polradwinkel δ=180° beträgt und mit einem schwarzen Punkt, wenn der Polradwinkel δ=0° oder δ =360° beträgt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist und auch mathematisch nachgewiesen werden kann, bewegt sich am sendenden Ende bei δ=180° für alle Koeffizienten k_X und k_E die Impedanz in der komplexen Ebene von rechts nach links (vgl. Fig. 4b, 4d). Für den gleichen Polradwinkel δ=180°, jedoch am empfangenden Ende der Leitung L1 (vgl. Fig. 4c, 4e), bewegt sich die Impedanz in entgegengesetzter Richtung.

Dies läßt den Schluß zu, daß für große Polradwinkel δ in der Umgebung von δ 180° das Vorzeichen der Impedanzrotation durch folgenden einfachen Rechenablauf ermittelt werden kann:

Die Impedanzortskurve hat in der Umgebung von kleinen Polradwinkeln δ=0° und bei δ=360° einen entgegengesetzten Durchlaufsinn als in der Umgebung von δ=180°.

Ein Algorithmus, der das Vorzeichen der Impedanzrotation für große und kleine Polradwinkel δ erkennt, ist umfangreicher und erfordert die Bestimmung des Kreismittelpunktes b in seiner Lage gegenüber der R-Achse. Aus Fig. 5 läßt sich leicht folgende Gleichung ableiten:

Gem. Fig. 5 gilt für Resistanz R(t)=ρ·cos ϕ und für die Reaktanz X(t)= ρ · sinϕ+b, wobei mit ρ die Impedanz und mit ϕ der Winkel zwischen Reaktanz X und Impedanz ρ bezeichnet ist. Der Mittelpunkt b kann von den gemessenen Werten R und X sowie deren Änderung ΔR, ΔX berechnet werden. Aus Bild 4 läßt sich dann folgender Algorithmus ableiten:

Beim Einsatz digitaler Technik ist die Realisierung der Blockiereinrichtung durch Programmierung sehr einfach.

Der Algorithmus (A2) ist allgemeiner gehalten, aber aufwendiger. Um eine korrekte Funktion der Pendelsperre sicherzustellen, ist es ausreichend, das Signal nur innerhalb der Anregungszone zu betrachten. Für eine solche Anwendung kann der einfachere Algorithmus (A1) verwendet werden.

Simulationsergebnisse

Die Fig. 6b bis 6e zeigen das Verhalten des obigen Algorithmus (A2) für den Fall, daß in dem Netz gem. Fig. 6a ein Fehler auf einer Leitung L1 in der Nähe einer Sammelschiene W₁ auftritt. Zu der Leitung L1 ist eine Leitung L2 parallel geschaltet, die wie die Leitung L1 zwischen der Sammelschiene W₁ und einer zweiten Sammelschiene W₂ angeordnet ist. Nach der Fehlerklärung speist der Generator G1 nur noch über Leitung L2. Der Einbauort W₂ des Netzschutzes dieser Leitung L2 ist dann das empfangende Ende. Die Aufgabe des Netzschutzes ist es, bei den nach Beendigung des Kurzschlusses auftretenden Pendelungen eine Auslösung zu verhindern.

Fig. 6b ist der Verlauf von Blockiersignalen bei einem Fehler auf der Leitung L1 in Abhängigkeit von der Zeit bei asynchronen Leistungspendelungen dargestellt. Das zweite leistungsorientierte Blockiersignal ohne Modifikation ist in Fig. 6b punktiert und das modifizierte, leistungsorientierte Blockiersignal ausgezogen dargestellt. Mit F ist der Eintritt des Fehlers und mit CP der Zeitpunkt der Fehlerklärung bezeichnet. Die Ziffern 1 und 5 bezeichnen Zeitpunkte. Den Verlauf des modifizierten Blockiersignals in der Impedanzebene zeigt Fig. 6c, wobei die mit 1 bis 5 bezeichneten Punkte den Zeitpunkten 1 bis 5 entsprechen.

Das Modifikationssignal nach den oben beschriebenen Regeln ist sign=-1, wie aus der folgenden Betrachtung in der Impedanzebene nach Fig. 6c hervorgeht. Zum Zeitpunkt F tritt der Fehler auf. Hierdurch entsteht ein Impuls in der Zeitfunktion C des Blockiersignals gem. Fig. 6b. In der Impedanzebene nach Fig. 6c springt der Betriebspunkt auf F und liegt damit innerhalb des Anregekreises. Dies ist der äußere der drei in Fig. 6c dargestellten Kreise. Der Betriebspunkt F liegt aber außerhalb des Innenkreises, der eine sofortige Abschaltung bewirkt und dafür vorgesehen ist, Fehler auf der Leitung L2 abzuschalten. Während der Kurzschlußzeit bewegt sich die Impedanz von Punkt F zu Punkt C, beim Abschalten des Fehlers springt sie zu Punkt P (Fig. 6c). Dieser Sprung wirkt sich wieder als Impuls zum Zeitpunkt CP im Blockiersignal gem. Fig. 6b aus. Nun bewegt sich die Impedanz auf einer kreisähnlichen Trajektorie mit dem Mittelpunkt bei einer negtiven Reaktanz. Für einige ausgewählte Punkte sind die Radien als Linien gekennzeichnet, die vom Kreisumfang zur vertikalen Achse führen (Punkte 1, 2, 3, 4, 5).

Aus dieser Bewegung leitet der Algorithmus A2 das oben erwähnte negative Signal ab. In dem ausgezogen gezeichneten Blockiersignal nach Fig. 6b liegen die Punkte 1, 2 und 4 oberhalb des Grenzwertes, der als gestrichelte Linie eingezeichnet ist, so daß eine Blockierung nicht notwendig ist. Die stark ausgezogene Linie auf der Zeitachse in Fig. 6b zeigt an, wann das Blockiersignal ansteht und die Impedanz innerhalb des Anregekreises liegt.

Die Fig. 6d zeigt den Verlauf von Blockiersignalen bei dem Fehler auf der Leitung L1 in Abhängigkeit von der Zeit bei synchronen Leistungspendelungen, wobei die leistungsorientierten Blockiersignale wie in Fig. 6b punktiert und ausgezogen dargestellt sind. Die Fig. 6d zeigt den Verlauf des modifizierten Blockiersignals in der Impedanzebene.

Schwache Pendelungen entstehen, wenn beispielsweise der Kurzschluß früher abgeschaltet wird. Wie Fig. 6d im Vergleich zu Fig. 6e zeigt, tritt dann der Impuls CP früher auf. Nun wechselt der Algorithmus zweimal das Vorzeichen während der betrachteten Periode. Nach der Fehlerklärung (Punkt 2, Fig. 6e) wechselt das Vorzeichen auf sign=-1, wie zuvor bei der asynchronen Pendelungen. Später, im Umkehrpunkt der Impedanztrajektorie (Punkt 2, Fig. 6e) wechselt das Vorzeichen auf sign=-1, wie zuvor bei der asynchronen Leistungspendelung, da die Impedanzkurve entgegen dem Uhrzeigersinn durchlaufen wird. In Fig. 6d erscheint der Umkehrpunkt (Punkt 4) als Sprung des Signals von einem negativen zu einem positiven Wert. In dem nächsten Umkehrpunkt (Punkt 9) wechselt die Situation erneut. Die Impedanzkurve wird im Uhrzeigersinn durchlaufen, das Vorzeichen ist auf positiv gewechselt. In Fig. 6d erfolgt dieser Wechsel zwischen den Punkten 8 und 9 durch einen Sprung vom positiven auf den negativen Wert. Problematisch ist der Bereich zwischen 2 und 4, da hier der gestrichelt eingezeichnete Grenzwert nicht überschritten wird und in Fig. 6e die Impedanz innerhalb des Anregekreises liegt. Dieser Zeitbereich ist jedoch sehr kurz und liegt deshalb innerhalb der eingestellten Verzugszeit, die in den Fig. 7 und 8 als Timersignal dargestellt ist.

Wie Fig. 6b bis 6e für asynchrone und synchrone Pendelungen zeigen, ist eine einwandfreie Erkennung möglich, wenn die Impedanz die Schutzgrenze überschreitet.

Beispiele für Blockiereinrichtungen

Strukturbilder für Blockiereinrichtungen, die nach dem ersten und zweiten leistungsorientierten Blockiersignal arbeiten, sind in den Fig. 7 und 8 dargestellt.

Spannung und Strom werden mit der Frequenz 600 Hz abgetastet. Jedes Signal wird dann durch zwei orthogonale digitale Filter 20, 21, 22, 23 geleitet.

Um die zur Signalfilterung benötigten Berechnungen zu vereinfachen, werden die Sinus- und Kosinusfunktionen, die das Filterfenster bilden, durch Stufenfunktionen angenähert. Diese beiden Filter werden durch folgende Gleichungen beschrieben:

Dabei sind i_s0, i_c0 die Sinus- bzw. Cosinuskomponente und i₀, i₁, i₂...i₁₁ der aktuelle und die vorherigen Abtastwerte. Die gleichen Formeln gelten für die Spannungen.

Nun sind Wirk- und Blindleistung durch Multiplikation der entsprechenden orthogonalen Komponenten von Strom und Spannung sowie das Quadrat der Stromamplitude in einer Anordnung 25 und 27 zu berechnen:

Die zu bestimmenden Widerstände und Reaktanzen werden in einem Baustein 31 aus den elektrischen Leistungen und dem Quadrat der Stromamplitude berechnet.

In beiden Fällen (Fig. 7 und Fig. 8) werden die beiden Widerstandswerte R, einem Tiefpaßfilter 34, 35 zugeführt, um hochfrequente Schwingungen zu dämpfen, die den Blockieralgorithmus und den Algorithmus zur Erkennung der Durchlaufrichtung der Impedanzortskurve stören könnten.

Diese Tiefpaßfilter 34, 35 werden durch folgende Gleichung beschrieben:

Dabei ist y₀ das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 34, 35.

In beiden Pendelsperren wird das Blockiersignal durch numerische Differentation der in einem Baustein 29 berechneten relevanten leistungsbezogenen Signale gebildet. Dabei ist das Zeitintervall gleich der Periodendauer ΔT=0,020 s. Es gilt die allgemeine Gleichung:

Ein Differenzierer 33 mit diesem Zeitintervall ΔT eliminiert alle geraden und ungeraden Harmonischen aus dem Ausgangssignal. Daher ist ein Tiefpaßfilter zur Glättung nicht notwendig.

Um die Rechnungen zu beschleunigen, werden folgende Quadratwurzelfunktionen, die zur Berechnung der Stromamplitude (Fig. 7 und Fig. 8) in einem Baustein 26 und der Scheinleistung (Fig. 7) in einem Baustein 30 notwendig sind, durch eine lineare Aproximation in den vier Quadraten angenähert:

Die geglätteten Meßwerte von Widerstand und Reaktanz werden zur Ermittlung des korrekten Vorzeichens der Richtung der Leistungspendelungen nach Algorithmus (A1) in einer Anordnung 37 eingesetzt. Das Blockiersignal mit dem ermittelten Vorzeichen wird in einer Anordnung 39 mit bestimmten Schwellwerten verglichen.

Wird dieser Schwellwert überschritten und liegen sowohl ein Anregesignal des Distanzschutzes als auch keine Nullsystemströme (3I₀) am Meßort des Distanzschutzes vor, so wird ein Blockierkommando generiert. Dieses Blockierkommando liegt höchstens solange an, wie es ein Timer vorgibt.

Um die Pendelsperre gegen Fehlfunktion während Stromwandlersättigung zu schützen, wird ein Unterbrecher (Anordnung 32) eingesetzt, der das Vorzeichen zu Null setzt, falls die Amplitude der zweiten Harmonischen des Stromes so groß gegenüber der Amplitude der ersten Harmonischen ist. Die Amplitude der zweiten Harmonischen wird in einem Baustein 28 aus zwei orthogonalen Signalen gewonnen, die Bandpaßfiltern 24 mit folgender Charakteristik entnommen werden:

worin i_s0 und i_c0 die Sinus- und Cosinuskomponente der 2. Harmonischen und i₀, i₁ die aktuellen und vorherigen Abtastwerte sind.

Fig. 7 und Fig. 8 sollen den Signalfluß lediglich veranschaulichen. In der Praxis geschieht die Verarbeitung durch ein Mikrocomputerprogramm. Die Analoggrößen Spannung und Strom werden auf einen Bessel-Vorfilter gegeben, um die Harmonischen höherer Ordnung zu entfernen.

Claims

1. Verfahren zum Schutz von Distanzschutzeinrichtungen vor unerwünschter Auslösung während transienter Leistungspendelungen, wobei beim Auftreten von transienten Leistungspendelungen ein Blockierkommando erzeugt wird, das die unerwünschte Auslösung der Distanzschutzeinrichtung verhindert, und dabei eine Impedanzortskurve verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens ein Blockiersignal für die Distanzschutzeinrichtung durch zeitliche Ableitung einer leistungsbezogenen elektrischen Größe erzeugt wird, und
- ein Vorzeichen (sign) der Richtung der transienten Leistungspendelungen aus der Durchlaufrichtung der Impedanzortkurve in der komplexen Ebene mittels einer zeitlichen Ableitung oder Änderung einer gemessenen Resistanz
- -- für große Polradwinkel in einer Umgebung von 180° nach folgender Beziehung:
- -- für kleine Polradwinkel in einer Umgebung von 0° und 360° nach folgender Beziehung: bestimmt wird, worin mit R die gemessene Resistanz bezeichnet ist, und
- daß das Blockierkommando für die Distanzschutzeinrichtung erzeugt wird,
- -- wenn das mindestens eine Blockiersignal multipliziert mit dem ermittelten Vorzeichen (sign) der Richtung der transienten Leistungspendelungen einen vorgegebenen positiven Grenzwert überschreitet und gleichzeitig
- -- ein Anregesignal der Distanzschutzeinrichtung vorliegt und
- -- keine Nullströme von der Distanzschutzeinrichtung gemessen werden.

2. Verfahren zum Schutz von Distanzschutzeinrichtungen vor unerwünschter Auslösung während transienter Leistungspendelungen, wobei beim Auftreten von transienten Leistungspendelungen ein Blockierkommando erzeugt wird, das die unerwünschte Auslösung der Distanzschutzeinrichtung verhindert, und dabei eine Impedanzortskurve verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens ein Blockiersignal für die Distanzschutzeinrichtung durch zeitliche Ableitung einer leistungsbezogenen elektrischen Größe erzeugt wird, und
- ein Vorzeichen (sign) der Richtung der transienten Leistungspendelungen aus der Durchlaufrichtung der Impedanzortkurve in der komplexen Ebene mittels einer zeitlichen Ableitung oder Änderung einer gemessenen Resistanz für große Polradwinkel in einer Umgebung von 180° nach folgender Beziehung: bestimmt wird, worin mit R die gemessene Resistanz, mit X die gemessene Reaktanz und mit b ein Kreismittelpunkt bezeichnet sind, der nach der Beziehung: bestimmt wird, und
- daß das Blockierkommando für die Distanzschutzeinrichtung erzeugt wird,
- -- wenn das mindestens eine Blockiersignal multipliziert mit dem Vorzeichen (sign) der Richtung der transienten Leistungspendelungen einen vorgegebenen positiven Grenzwert überschreitet und gleichzeitig
- -- ein Anregesignal der Distanzschutzeinrichtung vorliegt und
- -- keine Nullströme von der Distanzschutzeinrichtung gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die leistungsbezogene elektrische Größe, durch deren zeitliche Ableitung das zumindest eine Blockiersignal erzeugt wird, proportional einer Differenz aus Blind- und Wirkleistung am Meßort ist und
- daß das mindestens eine Blockiersignal nach folgender Beziehung bestimmt wird: worin mit ΔP und ΔQ die Änderungen der Wirk- und Blindleistung, mit S der Betrag der Scheinleistung, gebildet aus Wirk- und Blindleistung mit Δt das Zeitintervall der Änderungen der Blind- und Wirkleistung und mit sign=±1 das Vorzeichen der Richtung der transienten Leistungspendelung bezeichnet sind.

4.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ableitung die leistungsbezogene elektrische Größe, durch deren Ableitung das zumindest eine Blockiersignal erzeugt wird, proportional einem Quotienten aus Wirkleistung und absolutem Betrag der Scheinleistung am Meßort ist und nach folgender Beziehung bestimmt wird: worin mit P die Wirkleistung, mit S_t der absolute Betrag der Scheinleistung, gebildet aus der Nennspannung und der Stromamplitude (St = Un · |I|), mit Δt das Zeitintervall der Änderung des Quotienten und mit sign=±1 das Vorzeichen der Richtung der transienten Leistungspendelung bezeichnet sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß am Meßort Ströme und Spannungen des elektrischen Versorgungsnetzes mit einer Frequenz, die höher als die Netzfrequenz ist, abgetastet werden und
- daß aus den abgetasteten Strom- und Spannungswerten die Stromamplituden sowie die Wirk- und Blindleistung und die Resistanz und Reaktanz bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Blockiersignal unterbrochen wird, wenn das Verhältnis der Amplitude der 2. Harmonischen des Stromes zur Amplitude der Grundschwingung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung des mindestens einen Blockiersignals das die Richtung der transienten Leistungspendelungen angebende Vorzeichen auf Null gesetzt wird (sign=0).

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

- Strom- und Spannungswandler über Abtast- und Halteschaltungen mit einer diese steuernden Datenverarbeitungsanordnung verbunden sind,
- in der die Werte der gemessenen Ströme und Spannungen jeweils durch eine Bandpaßfilterung in Sinus- und Cosinuskomponenten zerlegt werden,
- aus denen die Wirk- und Blindleistung sowie der Strom und das Quadrat des Stroms bestimmt werden,
- wobei zur Erzeugung des Differentialquotienten des mindestens einen Blockiersignals die Differenz der Blind- und Wirkleistung nach der Zeit differenziert und durch die aus der Wirk- und Blindleistung gebildete Scheinleistung dividiert wird,
- aus der Wirk- und Blindleistung und dem Quadrat des Stroms die Reaktanz und Resistanz bestimmt werden,
- aus denen nach einer jeweiligen Tiefpaßfilterung das Vorzeichen (sign) des mindestens einen Blockiersignals erzeugt wird,
- das mindestens eine Blockiersignal aus dem Produkt des Differentialquotienten des mindestens einen Blockiersignals und dem Vorzeichen (sign) bestimmt wird,
- das mindestens eine Blockiersignal mit einem Anregesignal aus einer Distanzschutzeinrichtung und mit einem Zeitverzögerungssignal zur Erzeugung eines die Distanzschutzeinrichtung sperrenden Blockierkommandos verknüpft wird und
- das mindestens eine Blockiersignal bei einem vorgebbaren Schwellwert für die zweite Stromharmonische unterbrochen wird, um eine Fehlauslösung des Blockierkommandos bei einer Stromwandlersättigung zu vermeiden (Fig. 7).

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- Strom und Spannungswandler über Abtast- und Halteschaltungen mit einer diese steuernden Datenverarbeitungsanordnung verbunden sind,
- in der die Werte der gemessenen Ströme und Spannungen jeweils durch Bandpaßfilterung in Sinus- und Cosinuskomponenten zerlegt werden,
- aus denen der Strom, das Quadrat des Stroms, die Wirk- und Blindleistung und hieraus die Scheinleistung bestimmt werden,
- wobei der Differentialquotient des mindestens einen Blockiersignals aus dem Quotienten von der Wirk- und der aus der Spannung und der Stromamplitude gebildeten Scheinleistung ermittelt wird,
- aus der Wirk- und Blindleistung und dem Quadrat des Stroms die Reaktanz und Resistanz bestimmt werden,
- aus denen nach einer jeweiligen Tiefpaßfilterung das Vorzeichen (sign) des mindestens einen Blockiersignals erzeugt wird,
- das mindestens eine Blockiersignal aus dem Produkt des Differentialquotienten des mindestens einen Blockiersignals und dem Vorzeichen (sign) bestimmt
- das mindestens eine Blockiersignal mit einem Anregesignal aus einer Distanzschutzeinrichtung und mit einem Zeitverzögerungssignal zur Erzeugung eines die Distanzschutzeinrichtung sperrenden Blockierkommandos verknüpft wird und
- das mindestens eine Blockiersignal bei einem vorgebbaren Schwellwert für die zweite Stromharmonische unterbrochen wird, um eine Fehlauslösung des Blockierkommandos bei einer Stromwandlersättigung zu vermeiden (Fig. 8).

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Werten der gemessenen Ströme durch Filterung die zweite Stromharmonische bestimmt wird, die mit dem vorgebbaren Schwellwert verglichen wird, bei dessen Überschreitung das Vorzeichen (sign) auf Null gesetzt wird, um das mindestens eine Blockiersignal zu unterbrechen und um damit die Fehlauslösung des Blockierkommandos zu vermeiden.