FI108760B

FI108760B - Menetelmä suojareleen mukauttamiseksi verkkotaajuuteen ja suojarele

Info

Publication number: FI108760B
Application number: FI980876A
Authority: FI
Inventors: Reijo Lehtinen; Harri Kuisti
Original assignee: Abb Transmit Oy
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2002-03-15
Also published as: EP0990291A1; FI980876A; FI980876A0; DE69941886D1; WO1999054976A1; AU3424399A; EP0990291B1; TW407389B

Description

108760

Menetelmä suojareleen mukauttamiseksi verkkotaajuuteen ja suojarele

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä suojareleen mukautta-5 miseksi verkkotaajuuteen, joka menetelmä käsittää vaiheet, joissa määritetään verkkotaajuus, ja näytteistetään verkkotaajuista mittasuuretta fyysisten näytteiden aikaansaamiseksi.

Sähköverkon taajuus on yleisesti varsin tarkasti nimellisen suurui-10 nen ollen esimerkiksi Euroopassa 50 Hz. Tästä syystä sähköverkkojen suojaukseen käytettävä relesuojaus on usein suunniteltu pääasiallisesti tietylle taajuudelle. Taajuus voi kuitenkin ajallisesti ja paikallisesti poiketa huomattavastikin nimellisestä, jolloin relesuojauksen toimintatarkkuus voi olennaisesti heikentyä. Taajuuspoikkeamat ovat suurimmillaan verkkoa syöttävien generaatto-15 reiden yhteydessä niiden käynnistyksen aikana, jolloin niitä ei ole kytketty vielä verkkoon. Tällöin taajuuspoikkeamat saattavat olla jopa kymmenien hertsien ! luokkaa, mutta relesuojauksen tulee kuitenkin toimia tarkasti. Myös verkon te- hotasapainon heilahdellessa joudutaan verkko toisinaan jakamaan saarekkeisiin, joiden taajuudet voivat poiketa nimellisestä. Tällöinkin taajuuspoikkeamat 20 voivat olla useita hertsejä.

'·:· Eräässä tunnetussa menetelmässä, joka on esitetty patenttijulkai- : '·· sussa EP 325786, sopeutetaan suojarele muuttuvaan sähköverkon taajuuteen ·.·'.· säätämällä näytteistykseen käytettävän analogi-digitaalimuuntimen (A/D- muunnin) fyysistä näytteistystaajuutta siten, että näytteiden määrä vaihtovirran 25 ja- jännitteen jaksoa kohti pysyy samana. Tällöin esimerkiksi diskreetti Fourier-muunnos (DFT) antaa tarkan arvon, kun oletetaan näytteiden määrä jaksoa kohti vakioksi. Fyysisen näytteistystaajuuden muuttamiseen perustuva mene-telmä vaatii enemmän elektroniikkakomponentteja ja näin ollen monimutkai-... sempaa laitetta, jolloin suojareleen kustannukset kohoavat tarpeettomasti.

·;·’ 30 Fyysisen näytteenottotaajuuden muuttaminen dynaamisesti ei edes onnistu :, ‘.: kaikilla A/D-muunnintyypeillä.

·:·*: Toinen tunnettu menetelmä perustuu fyysisen näytteenottotaajuu- den pitämiseen vakiona ja DFT:ssä käytettävien näytteiden määrän muuttamiseen sähköverkon taajuuden vaihdellessa, julkaisun EP 801745 esittämällä 35 tavalla. Tällöin verkon taajuuden muuttuessa näytteiden määrä verkkojaksoa kohti muuttuu näytteistystaajuuden ollessa vakio. Menetelmän haittapuolena 108760 2 on se, että verkon taajuus on harvoin sellainen, että näytteiden määrä jaksoa kohti olisi kokonaisluku, joka johtaa mittaustuloksen epätarkkuuteen ja epätoivottavaan värähtelyyn.

Keksinnön lyhyt selostus 5 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa suojareleen mukauttamisen verkkotaajuuteen luotettavammalla tavalla ja yksinkertaisemmalla laitteistolla. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa 10 uudelleennäytteistetään mittasuure ohjelmallisesti fyysisiin näyttei siin ja määritettyyn verkkotaajuuteen perustuen virtuaalisten näytteiden aikaansaamiseksi, ja suoritetaan mittasuureen jatkokäsittely virtuaalisiin näytteisiin perustuen.

15 Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siihen ajatukseen, että fyysisten näytteiden perusteella määritetään virtuaaliset näytteet, joiden määrä sähköverkon jaksoa kohti saadaan pysymään vakiona. Tällöin jatko-operaatiot kuten DFT voidaan tehdä virtuaalisille näytteille olettamalla näytteiden määrä jaksoa kohti vakioksi.

20 Keksinnön mukaisen menetelmän etuna on se, että näytteiden määrä jaksoa kohti saadaan pysymään vakiona myös verkon taajuuden : '* muuttuessa ilman fyysisen näytteenottotaajuuden muuttamiseen liittyvää mo- ·, v nimutkaisempaa laitetoteutusta. Vakiomäärä näytteitä yhdessä jaksossa lisäk- si takaa suojareleen hyvän toimintatarkkuuden.

25 Keksinnön kohteena on myös taajuusadaptoituva suojarele, joka käsittää toisiinsa yhdistetyt taajuudenmäärityselimen, joka on sovitettu määrittämään sähköverkon taajuuden, näytteenottoelimen, joka on sovitettu otta-. maan näytteitä mittasuureesta, mittasuureen määrityselimen ja toimielimen, joka on sovitettu suorittamaan kytkentäoperaatioita mittasuureen määrityksen » t 30 perusteella, jolloin suojareleelle on tunnusomaista, että suojarele käsittää li-säksi tietojen prosessointielimen, joka on sovitettu määrittämään mittasuu->;·· reestä otetuista fyysisistä näytteistä mittasuureen virtuaaliset näytteet siten, että niiden määrä verkkojaksoa kohti on vakio, jolloin määrityselin on sovitettu ’···’ määrittämään virtuaalisten näytteiden perusteella mittasuureen halutun omi- 35 naisuuden ja ohjaamaan toimielintä. Tällaisen taajuusadaptoituvan suojare- 108760 3 leen avulla voidaan keksinnön mukaisen menetelmän tarjoamat edut saavuttaa yksinkertaisella ja varmatoimisella rakenteella.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 5 yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän lohkokaavioesi- tystä; ja

Kuvio 2 esittää esimerkinomaisesti signaalia, joka on uudelleen-näytteistetty keksinnön mukaisella menetelmällä.

10 Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion 1 esittämällä tavalla toiminnallisiin lohkoihin jaettu suojarele on yhdistetty sähköverkkoon 3. Suojareleiden tehtävänä on määrittää verkossa vallitsevien tiettyjen suureiden ominaisuuksia ja tarvittaessa suorittaa kyt-kentätoimenpiteitä. Sähköverkosta voidaan esimerkiksi määrittää virran tai 15 jännitteen suuruutta. Kuviossa 1 esitetyllä tavalla suojarele 7 on yhdistetty sähköverkkoon 3, jolloin keksinnön menetelmän mukaisesti määritetään verk-kotaajuus käyttämällä taajuudenmäärityselintä 2. Verkkotaajuuden määrittämiseen voidaan käyttää mitä hyvänsä taajuudenmääritykseen soveltuvaa laitetta, joka perustuu mittaussuureeseen tai näytteistyselimen mittaussuureesta tuot-20 tamiin arvoihin. Keksinnön mukainen menetelmä antaa kuitenkin parhaan j\. mahdollisen lopputuloksen taajuudenmäärityksen ollessa mahdollisimman tarkka. Kuviossa 1 taajuudenmäärityselin 2 määrittää verkkotaajuuden näyt-teistyselimen 1 ulostulona saatavista näytteistä.

Menetelmän mukaisesti edelleen näytteistetään verkkotaajuista 25 mittasuuretta fyysisten näytteiden aikaansaamiseksi näytteistyselimellä 1. Näytteistyselin ottaa verkon mittasuureesta, joka voi olla esimerkiksi virta tai , jännite, näytteitä kiinteällä näytteenottotaajuudella. Näytteistyselin 1 voi olla ‘ ’ esimerkiksi A/D-muunnin, joka muuntaa sisääntulon analogisen signaalin tiet tyinä ajanhetkinä ulostuloonsa pitopiiriin digitaaliseksi signaaliksi.

30 Kuvion 1 mukaisesti taajuudenmäärityselimen 2 ulostulo on yhdis- tetty prosessointielimeen 4, joka uudelleennäytteistää mittasuureen ohjelmallisesti näyteenottoelimeltä saatuihin fyysisiin näytteisiin perustuen ja tuottaa · · ' virtuaaliset näytteet. Keksinnön mukaisesti määritettävien virtuaalisten näyttei- : : den määrä yhtä verkkojaksoa kohti on vakio. Prosessointielin 4 määrittääkin 35 fyysisten näytteiden ja verkon taajuuden perusteella ne ajanhetket, joiden 108760 4 kohdalle virtuaaliset näytteet määritetään. Virtuaalisten näytteiden määrittäminen tapahtuu keksinnön erään suoritusmuodon mukaan interpoloimalla fyysisistä näytteistä. Yksinkertaisin interpolointimenetelmistä on lineaarinen interpolointi, jossa kahden fyysisen näytteen suuruuteen ja ajanhetkeen perustuen 5 määritetään virtuaalisen näytteen suuruus tietyllä halutulla ajanhetkellä. Lineaarinen interpolointi voidaan suorittaa esimerkiksi kaavalla y(j)=(> - %s)xW+(d>dts)x<k+» missä x(k) ja x(k+1) ovat peräkkäiset fyysiset näytteet, joiden väliin virtuaalinen näyte y(j) sijoittuu ajallisesti, dts on fyysisen näytteenoton näytteiden välinen 10 aika ja dt on virtuaalisen näytteen ajallinen etäisyys näytteestä x(k).

On mahdollista, että kahden peräkkäisen fyysisen näytteen väliin ei aina osu ainoatakaan virtuaalista näytettä. Toisaalta kahden fyysisen näytteen välille saattaa osua useampiakin virtuaalisia näytteitä. Uusi virtuaalinen näyte lasketaan kuitenkin edullisesti niistä fyysistä näytteistä, joiden väliin se tulee 15 ajallisesti sijoittumaan. Kuvio 2 esittää esimerkinomaisesti signaalia, jota on näytteistetty tietyllä kiinteällä näytteenottotaajuudella. Fyysiset näytteet on kuvioon 2 merkitty ympyröillä (o) 8. Jotta näytteitä saadaan jaksoa kohti tietty vakiomäärä, on signaali uudelleennäytteistetty, ja uudet virtuaaliset näytteet on merkitty kuvioon rasteilla (X) 9.

20 Edellä kuvailtu lineaarinen interpolaatio on yksinkertaisin, mutta ei ; ainoa mahdollisuus virtuaalisten näytteiden määrittämiseen. Virtuaaliset näyt teet voidaan myös määrittää esimerkiksi useamman fyysisen näytteen huomi- * ·. ·. oivilla polynomisovitteilla, jolloin virtuaalisista näytteistä voidaan saada täsmäl- lisempiä. Kaikkien ohjelmalliseen uudelleennäytteistykseen käytettävien me-25 netelmien yhteisenä ominaisuutena on se, että niillä tuotetaan alkuperäisistä fyysisistä näytteistä uudet virtuaaliset näytteet, jotka kuvaavat signaalin sen • ‘ * haluttujen ominaisuuksien osalta käyttötarkoituksen osalta riittävän tarkasti.

Menetelmän mukaisesti kun virtuaalisen näytteet on saatu määri-:"i tettyä niitä jatkokäsitellään mittasuureen määrityselimessä 5. Virtuaalisten 30 näytteiden jatkokäsittelyllä tarkoitetaan niitä toimenpiteitä, joilla näytteistä saa-. daan esille haluttu ominaisuus. Näytteistettävän mittasuureen ollessa jännite, ' ; voi mittasuureen määrityselin 5 laskea esimerkiksi DFT-muunnoksella jännit teen amplitudin. Mittasuureena voi olla myös mikä hyvänsä muu sähköverkon ' ’': ominaisuus, kuten virta, virran- tai jännitteen yliaaltosisältö, tehollisarvo tai vai- ; : 35 hekulma, tai virrasta tai virroista ja jännitteestä tai jännitteistä laskettu pätöte- ho, loisteho, näennäisteho tai jokin muu johdannaissuure kuten resistanssi, 108760 5 reaktanssi tai impedanssi. Mittasuureen määrityselin voi myös vaihtoehtoisesti ! käyttää muita laskentamenetelmiä kuin DFT-muunnosta.

Mittasuureen määrityselin 5 on myös sovitettu ohjaamaan toimie-i lintä 6. Toimielimen ohjaaminen tapahtuu mittasuureen ominaisuuden, esimer- 5 kiksi jännitteen suuruuden, poiketessa sille asetelluista rajoista. Toimielin 6 on esimerkiksi katkaisija, joka sovitettu erottamaan sähköverkon kaksi osaa toisistaan vikatilanteen sattuessa.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-10 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

I · t • · * t I » » » »

Claims

1. Menetelmä suojareleen (7) mukauttamiseksi verkkotaajuuteen, joka menetelmä käsittää vaiheet, joissa määritetään verkkotaajuus, ja 5 näytteistetään verkkotaajuista mittasuuretta fyysisten näytteiden ai- j kaansaamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa uudelleennäytteistetään mittasuure ohjelmallisesti fyysisiin näytteisiin ja määritettyyn verkkotaajuuteen perustuen virtuaalisten näytteiden ai-10 kaansaamiseksi, ja suoritetaan mittasuureen jatkokäsittely virtuaalisiin näytteisiin perustuen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että verkkotaajuisen mittasuureen näytteistäminen käsittää vaiheen, jossa 15 määritetään mittasuureen arvo ennalta määrätyin väliajoin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittasuureen uudelleennäytteistäminen käsittää vaiheet, joissa lasketaan verkon taajuudesta riippuvat ajanhetket, joille virtuaaliset näytteet määritetään, ja 20 määritetään mittasuureen arvo mainittuina ajanhetkinä.

‘ 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, : *·· että mittasuureen arvon määrittäminen käsittää vaiheen, jossa interpoloidaan •, : fyysisistä näytteistä virtuaaliset näytteet.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetel-:Y: 25 mä, tunnettu siitä, että virtuaalisten näytteiden jatkokäsitteleminen käsit- tää vaiheen, jossa lasketaan mittasuureen haluttu ominaisuus virtuaalisista näytteistä. t(tit 6. Taajuusadaptoituva suojarele (7), joka käsittää toisiinsa yhdiste tyt taajuudenmäärityselimen (2), joka on sovitettu määrittämään sähköverkon ·;*’ 30 (3) taajuuden, näytteenottoelimen (1), joka on sovitettu ottamaan näytteitä :,*·! mittasuureesta, mittasuureen määrityselimen (5) ja toimielimen (6), joka on ·:·: sovitettu suorittamaan kytkentäoperaatioita mittasuureen määrityksen perus- teella, tunnettu siitä, että suojarele (7) käsittää lisäksi tietojen prosessoin-tielimen (4), joka on sovitettu määrittämään mittasuureesta otetuista fyysisistä 35 näytteistä mittasuureen virtuaaliset näytteet siten, että niiden määrä verkko-jaksoa kohti on vakio, jolloin mittasuureen määrityselin (5) on sovitettu määrit- 7 108760 tämään virtuaalisten näytteiden perusteella mittasuureen halutun ominaisuuden ja ohjaamaan toimielintä (6).

6 108760

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suojarele, tunnettu siitä, että mittasuureen haluttu ominaisuus on virran tai jännitteen amplitudi.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suojarele, tunnettu siitä, että mittasuureen haluttu ominaisuus on virran tai jännitteen tehollisarvo.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suojarele, tunnettu siitä, että mittasuureen haluttu ominaisuus on virran tai jännitteen vaihekulma.

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suojarele, tunnettu siitä, 10 että mittasuureen haluttu ominaisuus on virran tai jännitteen jonkin harmonisen yliaallon amplitudi.

11. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suojarele, tunnettu siitä, että mittasuureen haluttu ominaisuus on virrasta/virroista ja jännittees-tä/jännitteistä laskettu pätöteho, loisteho tai näennäisteho tai jokin muu joh- 15 dannaissuure kuten resistanssi, reaktanssi tai impedanssi. • · «· • 1 · • · t · < · · • I · Mill • I » »II» 3 108760