WO2008145694A1 - Verfahren zum korrigieren eines durch sättigung gestörten sekundärstromverlaufes eines stromwandlers und elektrisches feldgerät zur durchführung eines solchen verfahrens - Google Patents

Verfahren zum korrigieren eines durch sättigung gestörten sekundärstromverlaufes eines stromwandlers und elektrisches feldgerät zur durchführung eines solchen verfahrens Download PDF

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WO2008145694A1
WO2008145694A1 PCT/EP2008/056613 EP2008056613W WO2008145694A1 WO 2008145694 A1 WO2008145694 A1 WO 2008145694A1 EP 2008056613 W EP2008056613 W EP 2008056613W WO 2008145694 A1 WO2008145694 A1 WO 2008145694A1
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current
saturation
value
measured values
measured
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PCT/EP2008/056613
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French (fr)
Inventor
Ludwig Schiel
Waldemar Rebizant
Andrzej Wiszniewski
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/04—Arrangements for preventing response to transient abnormal conditions, e.g. to lightning or to short duration over voltage or oscillations; Damping the influence of dc component by short circuits in ac networks
    • H02H1/046—Arrangements for preventing response to transient abnormal conditions, e.g. to lightning or to short duration over voltage or oscillations; Damping the influence of dc component by short circuits in ac networks upon detecting saturation of current transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0092—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the data processing means, e.g. expert systems, neural networks

Definitions

  • the invention relates to a method for correcting a saturation-impaired secondary current profile of a current transformer, in which measured values of the secondary current profile of the current transformer are detected.
  • the sensed readings are checked for saturation interference, and if there is a saturation fault, a start time is determined indicating the onset of saturation.
  • the measured values recorded after the start time are corrected while compensating the disturbance.
  • the invention also relates to an electric field device having a measured value detection device which is set up to detect measured values of a secondary current profile of a current transformer.
  • Electric current transformers are often used in measured value detection in electrical energy supply networks, such as high and medium voltage networks, in order to convert comparatively high alternating electrical currents into lower alternating electrical currents, so that they can be processed by electrical devices, such as electric field devices in the form of protective devices or measuring devices .
  • Conventional electric current transformers in this case comprise a converter core of a magnetizable material (for example iron or steel), which is in magnetic interaction with a primary conductor and a secondary conductor.
  • a core is formed as a so-called ring core, which forms a ring around the Primary conductor forms.
  • the secondary conductor is wound in this case with a certain number of windings around the converter core.
  • the primary conductor is of the comparatively high
  • measured values of the secondary current can serve as current measured values for an electrical differential protection device for monitoring a section of an electrical energy supply network in order to be compared there with current measured values of at least one second differential protection device. The comparison shows that a difference between the respective
  • the invention has for its object to provide a comparatively simple method for correcting a disturbed by saturation secondary current waveform of a current transformer, on the one hand with comparatively low
  • Calculation effort can be performed and on the other hand, without the need of knowledge of a valid for the corresponding current transformer characteristic can be performed.
  • the invention is based on the further object of providing a correspondingly configured field device.
  • This object is achieved with regard to the method according to the invention by a method of the type mentioned in the characteristic values of the secondary current profile are determined in the absence of saturation on the basis of measured values that were detected before the start time and using the specific characteristic parameters, a correct course of calculated after the start time measured values.
  • the method according to the invention advantageously makes use of parameters derived from the unsaturated course of the measured values of the secondary current before the starting time, there is no need to use characteristic curves tailored specifically to the corresponding current transformer. Furthermore, no complicated calculation steps for carrying out the method, since only the corresponding parameters must be determined.
  • DC component of the secondary current waveform can be determined.
  • the effect is advantageously exploited that in many cases, the course of high currents, for example caused by a fault on the primary side of the current transformer, can be represented as a superposition of a fundamental with a DC component.
  • an amplitude and, as characteristic parameters of the DC component, a time constant describing an exponential component of the DC component and / or an initial value of the exponential component are determined as the characteristic parameter of the fundamental component.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that at least two future values are formed using measured values recorded before the start time, which indicate an expected course of the secondary current after the starting time. In this way, the unsaturated course of the secondary current measured values can be artificially extended into the saturated course by forming the future values.
  • a protection algorithm can work in a protective device which depends on a certain minimum number of correct current transformer measured values for correct functioning.
  • a protective device which depends on a certain minimum number of correct current transformer measured values for correct functioning.
  • the characteristic parameters of the secondary current profile in the absence of saturation on the basis of measured values which were acquired before the start time and the future values.
  • the characteristic parameters of the secondary current profile can be determined even with comparatively few measured values lying in the unsaturated region (ie before the starting time).
  • a first difference value between a current measured value and a predicted value is determined for checking the measured values for the presence of a disturbance due to saturation, the predicted value determining an expected course of the secondary current using at least two indicates a current measured value of immediately preceding measured values, and a first saturation suspected signal is generated if the first difference value corresponds to or exceeds a first current threshold value.
  • a saturation signal indicative of the presence of a perturbation by saturation is generated when the first suspect signal is present.
  • the first difference value between the current measured value and the predicted value is also compared with a second current threshold value, wherein the second current threshold value is selected as a function of a nominal current for which the Current transformer is designed, and a second suspected saturation signal is generated when the first difference value is equal to or exceeds the second current threshold.
  • the saturation signal is generated only when the second suspected saturation signal is present.
  • the saturation signal is only generated if the third suspected saturation signal is present.
  • the predicted value is compared with a third current threshold value and a fourth saturation suspected signal is generated if the magnitude of the predicted value lies above the third current threshold value.
  • the saturation signal is generated only when the fourth suspected saturation signal is present.
  • the difference value between the current measured value and the predicted value is also compared with a fourth current threshold value, wherein the fourth current threshold value is selected as a function of a nominal current for which the current transformer is designed.
  • the prediction value is compared with a fifth current threshold. A saturation return signal is generated when the difference value is equal to fourth current threshold or exceeds and the predicted value is less than the fifth current threshold. The saturation signal is blocked when the saturation return signal is present.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention also provides that the presence of the saturation signal is monitored to determine the starting time.
  • the start time is when the saturation signal is present for the first time.
  • the start time can also be determined such that for determining the start time, which indicates the beginning of the saturation, a second difference value between the magnitude of the current measurement value and the amount of an estimated value is determined, the estimated value of an expected course of the secondary current using at least indicates three measured values immediately preceding the current measured value. The start time is present when the second difference value exceeds a sixth current threshold. By using at least three preceding measured values, the instant of the current transformer saturation can be determined comparatively accurately. In this context, it can also be provided that the estimated value indicates an expected course of the secondary current using four measured values immediately preceding the current measured value.
  • an end time which indicates the end of saturation is also determined and the correction of the measured values acquired after the start time is terminated with the measured value which coincides with the end time.
  • a defined end time is determined for the correction of the saturation-disturbed measured values; the measured values recorded after that are no longer disturbed by saturation, so that no correction is necessary.
  • a temporal integral over the detected course of the measured values of the secondary current is formed to determine the end time, wherein the integration begins with the measured value at which the starting time has been determined and ends with the current measured value.
  • the end time is when the integral is zero. This makes it possible to set the end time with relatively simple calculation steps.
  • an electric field device of the type mentioned which is a
  • Embodiments is set up.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a toroidal-core current transformer
  • FIG. 2 shows a diagram with the time profile of a secondary current which is disturbed by current transformer saturation
  • Figure 3 is a schematic representation of one with a portion of an electrical
  • FIG. 4 shows a process flow diagram for explaining a first exemplary embodiment of a method for correcting measured values of a secondary flow
  • FIG. 5 shows a further process flow diagram for explaining a second exemplary embodiment of a method for correcting measured values of a secondary current
  • FIG. 6 shows a first logic flow diagram for explaining the detection of a current transformer saturation
  • FIG. 7 shows a second logic flow diagram for explaining the detection of a current transformer saturation
  • Figure 8 is a diagram with a time course through
  • Figure 9 is a diagram with the time course through
  • Figure 10 is a diagram with the time course through
  • Figure 11 is a diagram with the time course through
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a current transformer 10 in the form of a toroidal-core current transformer.
  • An electrical primary conductor 11 for example a section of an electrical high-voltage line of an electrical energy supply network, carries a primary current ii (t) in the form of an alternating electrical current.
  • the primary conductor 11 is passed through a formed as a ring current transformer core 12.
  • the current transformer core consists of a magnetizable material, such as iron or steel.
  • electrical windings 13 of a secondary conductor 14 are wound.
  • the secondary conductor 14 is connected via contacts 15 to a measured value detection device 16, through which a secondary current i 2 (t) flows in the form of an alternating current.
  • the magnetic flux in the current transformer core 12 follows the electrical current flow ii (t) through the primary conductor 11 in a proportional manner, which in turn is proportional to the magnetic flux
  • Secondary current i 2 (t) is induced in the secondary conductor 14, which is lower than the primary current ii (t) according to the transformer transmission ratio. Consequently, the secondary current i 2 (t) under normal operating conditions of the current transformer 10 is a proportional mapping of the primary current ii (t).
  • the current transformer core 12 falls into a so-called saturation state.
  • the saturation state of the current transformer core 12 the secondary current i 2 (t) no longer represents a proportional mapping of the primary current ii (t), so that the secondary current profile through the secondary conductor 14 is disturbed by the current transformer saturation.
  • the measured values of the secondary current i 2 (t) recorded with the measured-value acquisition device 16 thus represent correspondingly disturbed or falsified measured values which do not reflect the correct course of the primary current ii (t).
  • electrical devices such as electrical measuring devices or protective devices for monitoring an electrical energy supply network
  • malfunctions are caused in the worst case.
  • an electrical protective device this may for example lead to an unwanted shutdown of a part of the electrical energy supply network.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the course of a saturation-impaired secondary current i 2 (t) of a current transformer over the time t is shown in a solid line.
  • the time course of the secondary current i 2 (t) is shown in dashed line in the case that there would be no current transformer saturation. It can be seen at a time tstarti the beginning of a first disturbed by current transformer saturation secondary current waveform , which ends at time t Eride i.
  • the end time of the first current transformer saturation t Eride i is followed by an unsaturated curve of the secondary current i 2 (t) until the time t sta r t 2 a second secondary current waveform disturbed by current transformer saturation begins, which ends at the time t Ende2 .
  • the measured values of the secondary current ⁇ 2 (t) detected during these periods may not be considered in its distorted shape during further processing but must be corrected accordingly.
  • FIG. 3 shows a section 30 of an otherwise not further illustrated electrical energy supply network.
  • An electrical protection device 31 is connected to a measuring input 32 via a current transformer 33 shown in Figure 3 only as a symbol with the portion 30 of the electrical
  • the electrical protection device 31 detects the secondary current ⁇ 2 (t) in analog form.
  • the secondary current ⁇ 2 (t) is sampled with an analog-to-digital converter 34 and converted into digital measured values i (n), wherein the index "n" to
  • the measured values i (n) are fed to a data processing device 35 of the electrical protection device 31, which is determined on the basis of the measured values i (n). (and possibly also other measured values not shown in FIG. 3) makes a decision about the state of the section 30 of the electrical energy supply network.
  • the data processing device 35 If the data processing device 35 detects an error on the section 30 of the electrical energy supply network, the data processing device 35 outputs a trigger signal "TRIP" via a trip output 36 to a power switch 37, which is thereby caused to open its switch contacts and thus the section 30 of the electrical power supply network separated from the rest of the power grid.
  • a trigger signal "TRIP” via a trip output 36 to a power switch 37, which is thereby caused to open its switch contacts and thus the section 30 of the electrical power supply network separated from the rest of the power grid.
  • the data processing device 35 of the electrical protection device 31 In order not to obtain unwanted false tripping of the circuit breaker 37 due to measured values i (n) which are disturbed by current transformer saturation, the data processing device 35 of the electrical protection device 31 also monitors the measured values i (n) for a disturbance due to current transformer saturation. In the event of such a fault, the affected measured values i (n) are correspondingly corrected in order to compensate for the disturbance due to current transformer saturation.
  • an electrical protective device 31 has been referred to by way of example in FIG. 3, another electric power may instead be provided to the section 30 of the electrical power supply network
  • Field device such as a meter or a so-called power quality device for monitoring the
  • Electric power quality of electric power in the section 30, be connected.
  • FIG. 4 shows a process flow diagram for explaining a first exemplary embodiment of a method for correcting a saturation-impaired secondary current profile of a current transformer.
  • a first step 40 is a Secondary current i 2 (t) detected via the current transformer.
  • the detected secondary current i 2 (t) is converted in a second step 41 with an analog / digital converter (for example the analog / digital converter 34 in FIG. 3) into digital measured values i (n).
  • an analog / digital converter for example the analog / digital converter 34 in FIG. 3
  • a further step 42 checks whether there is a disturbance due to current transformer saturation. If this is not the case, then the next following measured value is detected from the secondary current i 2 (t), as indicated by the expression "i (n + 1)" In step 43. This next following measured value is again referred to as current measured value i (n) treated according to step 41 and checked in step 42 for a disturbance by current transformer saturation.
  • step 44 If it is detected in step 42 that there is a disturbance due to current transformer saturation, then in step 44 a starting time t S tart is determined, which indicates the beginning of the current transformer saturation. In a further step 45, characteristic parameters of the secondary current profile are determined in the absence of saturation on the basis of measured values which lie before the starting time ts ta r t ⁇ in the unsaturated region. Using these characteristic parameters, a correction of the current measured value is then carried out in step 46.
  • step 47 it is subsequently checked whether an end of the disturbance by current transformer saturation has already been reached. If this is not the case, then - as indicated by step 48 with the formulation "i (n + l) -- - the next following measured value is detected from the secondary current i 2 (t) and determined using step 45 characteristic parameters of a correction in step 46.
  • step 47 If the check in step 47 shows that an end of the disturbance by saturation has been reached, then a
  • step 49 gives the end of the explained method with respect to the recognized one
  • the method then begins to detect a next disturbance due to CT saturation again at step 41 with the acquisition of the next current measured value i (n).
  • the method illustrated in FIG. 4 for correcting a saturation-impaired secondary current profile can be carried out in real time with a data processing device which has corresponding computing power, since each measured value which is disturbed by current transformer saturation is immediately subjected to a correction.
  • a buffer memory can be used, which temporarily stores the recorded measured values.
  • the second exemplary embodiment of a method for correcting a secondary current profile that is disturbed by current transformer saturation illustrated in the further process flow diagram of FIG. 5 represents a method that is not performed in real time.
  • This exemplary embodiment of the method can also be carried out with data processing devices having a lower computing power, provided that a certain delay in the correction of the measured values can be accepted. This is the case, for example, with power quality Devices of the case, since deviating from a protective device usually no time-critical decision on a safety state of the electrical energy supply network must be made.
  • step 50 After the determination of the characteristic parameters in step 45, according to the exemplary embodiment in FIG. 5, it is first checked in a following step 50 whether the disturbance is terminated by current transformer saturation. If this is not the case, then, as indicated by step 51, the next measured value is recorded and, in turn, then checked in step 50 whether there is an end to the disturbance due to current transformer saturation.
  • step 50 If the end of the fault is detected by current transformer saturation in step 50, the end time t E n de is determined. Only then, in step 52, are all the measured values recorded between the start time tstart and the end time t E subjected to a correction.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 thus differs from the exemplary embodiment according to FIG. 4 in that first the end time t Eride is awaited and only then in a common correction step are all measured values recorded between the start time and the end time corrected. After the correction made in step 52, the process with respect to the detected fault ends in step 53, and the method begins again on the next measured value in order to be able to recognize the next disturbance due to current transformer saturation.
  • Secondary current waveform ⁇ 2 (t) is checked to see if it is corrupted by a disturbance due to CT saturation.
  • a logic diagram of the procedure for checking for disturbance due to current transformer saturation is shown in FIG.
  • the diagram shown in Figure 8 can be used, in which a disturbed by current transformer saturation secondary current waveform ⁇ 2 (t) over the time t is plotted.
  • the dashed line the (expected) unsaturated course of the secondary flow is shown for comparison, while in a solid line the disturbed by saturation course of the secondary flow is shown.
  • the respectively current measured value i (n) is provided for checking for disturbance due to current transformer saturation.
  • the current measured value i (n) is fed to a first threshold element 61.
  • this threshold member is first a first difference value as an amount of the difference between the current measured value i (n) and a predicted value i e (n), which determines an expected course of the secondary current using at least two measured values i (nl) and i (i) directly preceding the current measured value i (n) n-2).
  • This first difference value is compared with a first threshold value SW 1 such that the condition results according to the following equation (1).
  • the predicted value i e (n) is determined on the assumption that, given a sufficiently small time interval between the samples of the measured values i (n), the slope of the secondary current profile between two sampled values virtually does not change and consequently the first time derivative of the curve is constant.
  • the following equation (2) is used to calculate the predicted value i e (n) under this assumption.
  • the threshold SW 1 used in the threshold 61 may have any predetermined value.
  • the threshold value SW 1 for the evaluation of the current sample value i (n) depends on the height of the sample value i (nl) immediately preceding the current sample value i (n). This ensures that, in cases of very high measured values, a correspondingly high threshold SW 1 is also used.
  • the threshold value SWi the following equation (3) is accordingly proposed
  • Threshold SW 1 is equal to or greater than this, a first suspected saturation signal V 1 is generated and a saturation signal S indicative of saturation is generated in block 62 when the first suspect signal V 1 is present.
  • the current measured value i (n) is first provided in block 70.
  • the first threshold member 71 is already in connection with 6, which leads to the generation of the first suspected saturation signal Vi.
  • this first suspected saturation signal Vi is now supplied to an input of a first AND element 72.
  • the second threshold SW 2 is preferably in
  • a threshold value SW 2 defined as a function of the rated current
  • relatively high deviations of the current measured value i (n) from the predicted value i e (n) can be detected relative to the rated current of the current transformer; at a such a deviation, the probability of CT saturation is comparatively high.
  • Block 74 then emits a third suspected saturation signal V3 at its output if no sign change has taken place, that is, the current measured value i (n) and the immediately preceding measured value i (n-1) have the same sign.
  • the third suspected saturation signal V3 is supplied to a further input of the first AND gate 72.
  • a third threshold module 75 it is possible to check whether the magnitude of the predicted value i e (n) lies above a third threshold value SW 3 , as shown in equation (7) below.
  • a threshold value can be selected according to the following equation (8), so that the third threshold value SW 3 can also be determined as a function of the nominal current I nominal of the current transformer (with respect to the secondary side of the current transformer).
  • the first AND gate 72 then provides an output signal when all tested conditions are fulfilled, ie when all suspected saturation signals V 1 to V 4 are present at the input to the first AND gate 72.
  • the output from the first AND gate 72 output is supplied to a second AND gate 76 on the input side.
  • the first AND gate 72 then provides an output signal when all suspicious signals belonging to the respectively tested conditions are present.
  • a fourth threshold element 77 it is possible to check in a fourth threshold element 77 whether the magnitude of the first difference value
  • the fourth threshold value SW 4 can in this case be selected, for example, according to equation (10).
  • the fourth threshold value is in turn selected as a function of the rated current (secondary side) of the current transformer, whereby here again other factors are conceivable.
  • the condition according to equation (9) is usually fulfilled at the beginning of a primary-side fault. If the condition according to equation (9) is satisfied, then a first saturation return signal Ri is delivered to a third AND gate 78.
  • the fifth threshold value SW 5 in this case can be selected, for example, according to equation (12) as a function of the current measured value i (n).
  • a second saturation return signal R 2 is output to the third AND gate 78. Only in the case that both saturation return signals Ri and R 2 simultaneously present at the input side to the third AND gate 78, a return signal R is generated by the third AND gate 78 and supplied to the second AND gate 76 in an inverted form.
  • the second AND gate 76 therefore outputs an output signal to the block 80 for generating the saturation signal S if and only if all the suspected saturation signals of the tested conditions and at the same time not the return signal R (ie both saturation return signals Ri and R 2 ) are present.
  • the return conditions block the generation of a saturation signal if exactly both return conditions are met.
  • the start time ts ta r t / at which the current transformer saturation begins, and thus the first measured value, which is disturbed by current transformer saturation, can be determined in the simplest case by performing this in step 42 (see FIGS. 4 and 5) Check for CT saturation for the first time has detected a fault. In this case, no additional calculations be performed to determine the start time tstart.
  • a second difference value as an amount of the difference between the current measured value i (n) and an estimated value i s (n), the estimated value i s (n ) indicates an expected course of the secondary current using at least three measured values immediately preceding the current measured value i (n).
  • This relationship is shown graphically in a diagram in FIG. 9, in which the time curve of a secondary current which is disturbed by current transformer saturation ⁇ 2 (t) and in dashed line the (expected) unsaturated course of the secondary current are again shown.
  • the estimated value i s (n) can be calculated according to equation ( 13).
  • i s (n) 3 i (n -1) - 3 i (n -2) + i (n-3) (13)
  • the estimated value i s (n) can be determined with the aid of the three measured values i (nl), i (n-2) and i (n-3) preceding the current measured value.
  • the starting time tstart is then recognized when, according to the following equation (15), the difference between the magnitude of the estimated value i s (n) and the amount of the current one
  • Measured value i (n) is greater than a sixth threshold SW 6 .
  • the sixth threshold value SW 6 can be formed, for example, according to equation (16) as a function of the estimated value i s (n) and a factor F that takes into account the estimation accuracy of the algorithm.
  • the factor F is chosen as a function of the sampling frequency with which the measured values are recorded and the accuracy of the equation used (13 or 14) and can be, for example, between 0.02 and 0.12.
  • FIG. 10 shows a diagram with the time profile of the saturation-impaired secondary current ⁇ 2 (t) in a solid line.
  • the integral between the start time ts ta r t and the current measured value i (n) is formed in each case. If the integral yields the value zero, the end time t E n de is reached. Illustratively, surfaces 101 and 102 in FIG. 10 must assume the same amount for this purpose.
  • R denotes the resistance of the secondary converter circuit.
  • the integral according to equation (17) thus indicates the magnetic flux in the transducer core.
  • the following section explains how to determine the characteristic parameters of the unsaturated current profile needed to correct the measurement values that are disturbed by the saturation of the transducer.
  • the characteristic parameters are formed with the aid of measured values which were recorded before the starting time ts ta r t .
  • To determine the characteristic parameters can advantageously the
  • T a time constant of the DC component
  • Equation (22) can be simplified assuming equation (23).
  • the equations (19) and (20) can be used to determine the amplitude Ii of the fundamental oscillation for a known DC component.
  • One method is the use of the measured values and the first derivative between times (n-2) and (n-3) to give:
  • i p (n-2) i (n-2) - I 0 -e -2 ⁇ (29)
  • the saturation-disturbed measured values can be corrected.
  • phase angle ⁇ for the sample value i p (n-2) is first estimated. This is done with the equation:
  • the measured value is designated at the start time tstart with n S tart.
  • the counter h changes between 0 (for the first measured value of the affected saturation period) and k (for the last measured value of the saturation period).
  • Equation (31) can be performed both in real time and with stored measurements.
  • the correction is always performed up to the current measured value i (n), which in this case corresponds to the measured value i (n s tart + h), until the end time t E nde is recognized as explained above.
  • the range without current transformer saturation can be artificially expanded by forming future values on the basis of the measured values present before the starting time ts ta r t , which provide an expected secondary current ⁇ 2 (t). specify after the start time ts ta r t .
  • at least two future values should be formed to determine the number of times for the calculation of the characteristic values to increase the usable parameters.
  • the characteristic parameters are then formed using the existing measured values from the unsaturated course and the future values calculated from these.
  • the determination of the future values can also be useful if, for example, in an electrical protection device, some measured values following the start time t sta r t are required in the short term in the form of future values in order to carry out a safety-critical protection algorithm in a short time.
  • the protection algorithm can be performed based on the future values. The correction of saturation-disturbed measured values takes place simultaneously. In this case, the protection algorithm does not have to wait until the correction of saturation-impaired measured values has taken place.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes (i2(t)) eines Stromwandlers (10), bei dem Messwerte (i (n) ) des Sekundärstromverlaufes (i2(t)) des Stromwandlers (10) erfasst werden. Die erfassten Messwerte (i (n) ) werden auf Vorliegen einer Störung durch Sättigung überprüft und bei Vorliegen einer Störung durch Sättigung wird ein Startzeitpunkt (tstart) bestimmt, der den Beginn der Sättigung angibt. Die nach dem Startzeitpunkt (tstart) erfassten Messwerte werden unter Kompensation der Störung korrigiert. Um ein solches Verfahren derart auszubilden, dass es mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand und ohne die Notwendigkeit für den entsprechenden Stromwandler charakteristischer Kennlinien durchgeführt werden kann, wird vorgeschlagen, dass anhand von Messwerten, die vor dem Startzeitpunkt (tstart) erfasst worden sind, charakteristische Parameter des Sekundärstromverlaufes (i2(t)) bei fehlender Sättigung bestimmt werden und unter Verwendung der bestimmten charakteristischen Parameter ein korrekter Verlauf der nach dem Startzeitpunkt (tstart) aufgenommenen Messwerte berechnet wird. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechend eingerichtetes elektrisches Feldgerät.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes eines Stromwandlers und elektrisches Feldgerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes eines Stromwandlers, bei dem Messwerte des Sekundärstromverlaufes des Stromwandlers erfasst werden. Die erfassten Messwerte werden auf Vorliegen einer Störung durch Sättigung überprüft, und bei Vorliegen einer Störung durch Sättigung wird ein Startzeitpunkt bestimmt, der den Beginn der Sättigung angibt. Die nach dem Startzeitpunkt erfassten Messwerte werden unter Kompensation der Störung korrigiert.
Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Feldgerät mit einer Messwerterfassungseinrichtung, die zur Erfassung von Messwerten eines Sekundärstromverlaufes eines Stromwandlers eingerichtet ist.
Stromwandler werden häufig bei der Messwerterfassung in elektrischen Energieversorgungsnetzen, wie beispielsweise Hoch- und Mittelspannungsnetzen eingesetzt, um vergleichsweise hohe elektrische Wechselströme in niedrigere elektrische Wechselströme umzusetzen, so dass sie von elektrischen Geräten, wie beispielsweise elektrischen Feldgeräten in Form von Schutzgeräten oder Messgeräten, verarbeitet werden können. Konventionelle elektrische Stromwandler umfassen hierbei einen Wandlerkern aus einem magnetisierbaren Material (beispielsweise Eisen oder Stahl) , der in magnetischer Wechselwirkung mit einem Primärleiter und einem Sekundärleiter steht. Häufig wird ein solcher Kern als sogenannter Ringkern ausgebildet, der einen Ring um den Primärleiter bildet. Der Sekundärleiter ist in diesem Fall mit einer gewissen Anzahl von Wicklungen um den Wandlerkern gewunden .
Der Primärleiter wird von dem vergleichsweise hohen
Wechselstrom durchflössen. Dieser induziert ein Magnetfeld in dem Wandlerkern, das wiederum in dem Sekundärleiter einen entsprechend das Wandlerübersetzungsverhältnisses geringeren Wechselstrom induziert, dessen Höhe üblicherweise proportional zur Höhe des Primärstroms ist.
Aufgrund der magnetischen Eigenschaften des Wandlerkerns kann jedoch bei primärseitigen hohen Strömen oder starken Gleichstromanteilen im Wechselstrom eine sogenannte Wandlersättigung eintreten, wodurch der Verlauf des
Sekundärstromes nicht mehr proportional zum Verlauf des Primärstromes ist und die auf der Sekundärseite des Stromwandlers erfassten Messwerte somit durch die Stromwandlersättigung gestört sind.
Durch die solchermaßen gestörten Messwerte können in elektrischen Geräten, die die sekundärseitigen Messwerte als zur Durchführung bestimmter Berechnungen verwenden, Fehlfunktionen hervorgerufen werden. Beispielsweise können Messwerte des Sekundärstroms als Strommesswerte für ein elektrisches Differentialschutzgerät zur Überwachung eines Abschnitts eines elektrischen Energieversorgungsnetzes dienen, um dort mit Strommesswerten zumindest eines zweiten Differentialschutzgerätes verglichen zu werden. Ergibt der Vergleich, dass eine Differenz zwischen den jeweiligen
Strommesswerten einen von Null signifikant abweichenden Wert ergibt, so wird ein Fehler (z.B. ein Kurzschluss) in dem überwachten Abschnitt des elektrischen Energieversorgungsnetzes erkannt. Ist einer der zur Erfassung der jeweiligen Strommesswerte verwendeten Stromwandler durch Sättigung gestört, so können durch die verfälschten Messwerte bei der Differenzbildung in dem Differentialschutzgerät falsche Ergebnisse erzeugt werden, was zu einer Fehlauslösung des elektrischen Differentialschutzgerätes führen kann.
Solche Fehlauslösungen sind für Betreiber des elektrischen Energieversorgungsnetzes aufgrund der damit verbundenen Stromausfälle mit hohen Kosten verbunden.
Um Fehlfunktionen von elektrischen Geräten zu vermeiden, die eine Weiterverarbeitung der Messwerte vornehmen, werden Verfahren eingesetzt, durch Stromwandlersättigung gestörte Sekundärstromverläufe automatisch zu erkennen und eine entsprechende Korrektur der gestörten Werte vorzunehmen. Ein Verfahren der oben angegebenen Art ist beispielsweise aus der US-Patentschrift US 7,103,485 B2 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden Messwerte eines Sekundärstromverlaufs eines Stromwandlers erfasst und auf eine möglicherweise vorliegende Sättigung überprüft. Wenn eine Stromwandlersättigung erkannt wird, wird zum Startzeitpunkt der Stromwandlersättigung ein Magnetisierungsstrom berechnet, anhand dessen ein zum Startzeitpunkt vorliegender magnetischer Fluss in dem Wandlerkern bestimmt wird. Unter Verwendung für den speziellen Stromwandler charakteristischer Kennlinien, die einen Zusammenhang zwischen dem magnetischen Fluss und dem Sekundärstrom angeben, werden die durch Sättigung des Stromwandlers gestörten Messwerte nach dem Startzeitpunkt korrigiert, um einen korrekten Verlauf der Messwerte des Sekundärstromes durch Kompensation der Störung durch Stromwandlersättigung zu erhalten. Allerdings sind die benötigten, für den entsprechenden Stromwandler charakteristischen Kennlinien häufig nur schwer verfügbar oder sogar überhaupt nicht vorhanden und müssen erst durch aufwendige Messungen erzeugt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vergleichsweise einfaches Verfahren zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes eines Stromwandlers anzugeben, das einerseits mit vergleichsweise geringem
Rechenaufwand durchgeführt werden kann und andererseits auch ohne die Notwendigkeit der Kenntnis einer für den entsprechenden Stromwandler gültigen Kennlinie durchgeführt werden kann. Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein entsprechend eingerichtetes Feldgerät zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem anhand von Messwerten, die vor dem Startzeitpunkt erfasst worden sind, charakteristische Parameter des Sekundärstromverlaufes bei fehlender Sättigung bestimmt werden und unter Verwendung der bestimmten charakteristischen Parameter ein korrekter Verlauf der nach dem Startzeitpunkt aufgenommenen Messwerte berechnet wird.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise auf aus dem vor dem Startzeitpunkt liegenden ungesättigten Verlauf der Messwerte des Sekundärstromes abgeleitete Parameter zurückgegriffen wird, besteht nicht die Notwendigkeit der Verwendung speziell auf den entsprechenden Stromwandler zugeschnittener Kennlinien. Ferner fallen keine aufwendigen Rechenschritte zur Durchführung des Verfahrens an, da lediglich die entsprechenden Parameter bestimmt werden müssen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass anhand der vor dem Startzeitpunkt erfassten Messwerte charakteristische Parameter einer Grundschwingung und einer
Gleichstromkomponente des Sekundärstromverlaufs bestimmt werden .
Hierbei wird vorteilhaft der Effekt ausgenutzt, dass sich in vielen Fällen der Verlauf hoher Ströme, beispielsweise hervorgerufen durch einen Fehler auf der Primärseite des Stromwandlers, als Überlagerung einer Grundschwingung mit einer Gleichstromkomponente darstellen lassen.
Konkret kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass als charakteristischer Parameter der Grundschwingung eine Amplitude und als charakteristische Parameter der Gleichstromkomponente eine einen exponentiellen Anteil der Gleichstromkomponente beschreibende Zeitkonstante und/oder ein Anfangswert des exponentiellen Anteiles bestimmt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass unter Verwendung vor dem Startzeitpunkt aufgenommener Messwerte zumindest zwei Zukunftswerte gebildet werden, die einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes nach dem Startzeitpunkt angeben. Auf diese Weise kann der ungesättigte Verlauf der Sekundärstrommesswerte durch Bildung der Zukunftswerte sozusagen künstlich in den gesättigten Verlauf hinein verlängert werden.
Beispielsweise kann auf Grundlage eines solchermaßen verlängerten ungesättigten Messwertverlaufes ein Schutzalgorithmus in einem Schutzgerät arbeiten, der zur korrekten Funktion auf eine gewisse Mindestanzahl von korrekten Stromwandlermesswerten angewiesen ist. In diesem Zusammenhang kann aber auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass die charakteristischen Parameter des Sekundärstromverlaufes bei fehlender Sättigung anhand von Messwerten, die vor dem Startzeitpunkt erfasst worden sind, und den Zukunftswerten bestimmt werden.
Auf diese Weise können die charakteristischen Parameter des Sekundärstromverlaufes auch bei vergleichsweise wenigen in dem ungesättigten Bereich (also vor dem Startzeitpunkt) liegenden Messwerten ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass zum Überprüfen der Messwerte auf Vorliegen einer Störung durch Sättigung ein erster Differenzwert zwischen einem aktuellen Messwert und einem Vorhersagewert bestimmt wird, wobei der Vorhersagewert einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes unter Verwendung zumindest zweier dem aktuellen Messwert unmittelbar vorangehender Messwerte angibt, und ein erstes Sättigungsverdachtssignal erzeugt wird, wenn der erste Differenzwert einem ersten Stromschwellenwert entspricht oder diesen überschreitet. Ein das Vorliegen einer Störung durch Sättigung angebendes Sättigungssignal wird erzeugt, wenn das erste Sättigungsverdachtssignal vorliegt. Hierdurch kann vergleichsweise einfach eine Überprüfung des Messwertverlaufes auf Sättigung vorgenommen werden.
Um die Zuverlässigkeit der Überprüfung weiter zu erhöhen, können weitere Bedingungen geprüft werden:
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der erste Differenzwert zwischen dem aktuellen Messwert und dem Vorhersagewert auch mit einem zweiten Stromschwellenwert verglichen wird, wobei der zweite Stromschwellenwert in Abhängigkeit von einem Nennstrom gewählt wird, für den der Stromwandler ausgelegt ist, und ein zweites Sättigungsverdachtssignal erzeugt wird, wenn der erste Differenzwert dem zweiten Stromschwellenwert entspricht oder diesen überschreitet. Das Sättigungssignal wird nur dann erzeugt, wenn auch das zweite Sättigungsverdachtssignal vorliegt .
In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass überprüft wird, ob zwischen dem aktuellen Messwert und demjenigen Messwert, der unmittelbar davor erfasst worden ist, ein Vorzeichenwechsel stattgefunden hat, und ein drittes Sättigungsverdachtssignal erzeugt wird, wenn kein Vorzeichenwechsel stattgefunden hat. Das Sättigungssignal wird nur dann erzeugt, wenn auch das dritte Sättigungsverdachtssignal vorliegt.
Außerdem kann hierbei vorgesehen sein, dass der Vorhersagewert mit einem dritten Stromschwellenwert verglichen wird und ein viertes Sättigungsverdachtssignal erzeugt wird, wenn der Betrag des Vorhersagewertes oberhalb des dritten Stromschwellenwertes liegt. Das Sättigungssignal wird nur dann erzeugt, wenn auch das vierte Sättigungsverdachtssignal vorliegt .
Um die Zuverlässigkeit der Überprüfung auf
Stromwandlersättigung schließlich noch weiter zu erhöhen, kann zudem vorgesehen sein, dass der Differenzwert zwischen dem aktuellen Messwert und dem Vorhersagewert auch mit einem vierten Stromschwellenwert verglichen wird, wobei der vierte Stromschwellenwert in Abhängigkeit von einem Nennstrom gewählt wird, für den der Stromwandler ausgelegt ist. Außerdem wird der Vorhersagewert mit einem fünften Stromschwellenwert verglichen. Es wird ein Sättigungsrücknahmesignal erzeugt, wenn der Differenzwert dem vierten Stromschwellenwert entspricht oder diesen überschreitet und der Vorhersagewert kleiner als der fünfte Stromschwellenwert ist. Das Sättigungssignal wird blockiert, wenn das Sättigungsrücknahmesignal vorliegt.
Um vergleichsweise einfach einen Startzeitpunkt des Sättigungsverlaufes bereits bei der Überprüfung auf Stromwandlersättigung festlegen zu können, sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem vor, dass zur Bestimmung des Startzeitpunktes das Vorliegen des Sättigungssignals überwacht wird. Der Startzeitpunkt liegt dann vor, wenn das Sättigungssignal erstmalig vorliegt.
Alternativ kann der Startzeitpunkt auch derart bestimmt werden, dass zur Bestimmung des Startzeitpunktes, der den Beginn der Sättigung angibt, ein zweiter Differenzwert zwischen dem Betrag des aktuellen Messwertes und dem Betrag eines Schätzwertes bestimmt wird, wobei der Schätzwert einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes unter Verwendung zumindest dreier dem aktuellen Messwert unmittelbar vorangehender Messwerte angibt. Der Startzeitpunkt dann vorliegt, wenn der zweite Differenzwert einen sechsten Stromschwellenwert überschreitet. Durch die Verwendung zumindest dreier vorangehender Messwerte kann der Zeitpunkt der Stromwandlersättigung vergleichsweise genau festgestellt werden. In diesem Zusammenhang kann außerdem vorgesehen sein, dass der Schätzwert einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes unter Verwendung von vier dem aktuellen Messwert unmittelbar vorangehenden Messwerten angibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass auch ein Endzeitpunkt, der das Ende der Sättigung angibt, bestimmt wird, und die Korrektur der nach dem Startzeitpunkt erfassten Messwerte mit dem Messwert beendet wird, der mit dem Endzeitpunkt zusammenfällt. Hierdurch wird für die Korrektur der durch Sättigung gestörte Messwerte ein definierter Endzeitpunkt festgelegt; die danach aufgenommenen Messwerte sind nicht mehr durch Sättigung gestört, so dass keine Korrektur erforderlich ist.
In diesem Zusammenhang kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des Endzeitpunktes ein zeitliches Integral über den erfassten Verlauf der Messwerte des Sekundärstromes gebildet wird, wobei die Integration mit dem Messwert beginnt, bei dem der Startzeitpunkt festgestellt worden ist, und mit dem aktuellen Messwert endet. Der Endzeitpunkt liegt dann vor, wenn das Integral den Wert Null ergibt. Hierdurch lässt sich mit relativ einfaches Rechenschritten der Endzeitpunkt festlegen.
Hinsichtlich des elektrischen Feldgerätes wird die oben genannte Aufgabe durch ein elektrisches Feldgerät der eingangs genannten Art gelöst, das eine
Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der vorstehend genannten
Ausführungsformen eingerichtet ist.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierzu zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ringkernstromwandlers,
Figur 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf eines durch Stromwandlersättigung gestörten Sekundärstromes, Figur 3 eine schematische Darstellung eines mit einem Abschnitt eines elektrischen
Energieversorgungsnetzes verbundenen elektrischen Schutzgerätes,
Figur 4 ein Verfahrensfließbild zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Korrigieren von Messwerten eines Sekundärstromes,
Figur 5 ein weiteres Verfahrensfließbild zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Korrigieren von Messwerten eines SekundärStromes,
Figur 6 ein erstes logisches Ablaufschema zur Erläuterung der Erkennung einer Stromwandlersättigung,
Figur 7 ein zweites logisches Ablaufschema zur Erläuterung der Erkennung einer Stromwandlersättigung,
Figur 8 ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf durch
Sättigung gestörter Messwerte eines Sekundärstromes zur Erläuterung der Erkennung einer StromwandlerSättigung,
Figur 9 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf durch
Sättigung gestörter Messwerte eines Sekundärstromes zur Erläuterung der Festlegung des StartZeitpunktes,
Figur 10 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf durch
Sättigung gestörter Messwerte eines Sekundärstromes zur Erläuterung der Festlegung des Endzeitpunktes, und Figur 11 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf durch
Sättigung gestörter Messwerte eines Sekundärstromes zur Erläuterung der Bildung von Zukunftswerten.
Figur 1 zeigte eine schematische Darstellung eines Stromwandlers 10 in Form eines Ringkernstromwandlers. Ein elektrischer Primärleiter 11, beispielsweise ein Abschnitt einer elektrischen Hochspannungsleitung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, führt einen Primärstrom ii (t) in Form eines elektrischen Wechselstromes. Der Primärleiter 11 ist durch einen als Ring ausgebildeten Stromwandlerkern 12 hindurchgeführt. Der Stromwandlerkern besteht aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise Eisen oder Stahl. Um den Stromwandlerkern 12 sind elektrische Wicklungen 13 eines Sekundärleiters 14 gewunden. Der Sekundärleiter 14 ist über Kontakte 15 mit einer Messwerterfassungseinrichtung 16 verbunden, durch die ein Sekundärstrom i2 (t) in Form eines Wechselstromes fließt.
Durch den Primärstrom ii (t) wird um den Primärleiter 11 ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Intensität durch den magnetisierbaren Stromwandlerkern 12 weiter verstärkt wird. Das sich aufgrund des Wechselstromverhaltens des Primärstromes ii (t) ständig ändernde Magnetfeld in dem
Stromwandlerkern 12 induziert wiederum einen sekundärseitigen Wechselstrom in den Wicklungen 13 des Sekundärleiters 14, der als Sekundärstrom i2 (t) mit der Messwerterfassungseinrichtung 16 erfasst werden kann.
Unter Normalbedingungen folgt der magnetische Fluss im Stromwandlerkern 12 dem elektrischen Stromfluss ii (t) durch den Primärleiter 11 in proportionaler Weise, wodurch ein wiederum zu dem magnetischen Fluss proportionaler Sekundärstrom i2 (t) im Sekundärleiter 14 induziert wird, der entsprechend des Wandlerübersetzungsverhältnisses geringer ist als der Primärstrom ii (t) . Folglich ist der Sekundärstrom i2 (t) unter normalen Betriebsbedingungen des Stromwandlers 10 eine proportionale Abbildung des Primärstromes ii (t) .
Im Falle sehr hoher durch den Primärleiter 11 fließender Ströme oder eines signifikanten Gleichstromanteils in dem Primärstrom ii (t) besteht jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Stromwandlerkern 12 in einen sogenannten Sättigungszustand fällt. Im Sättigungszustand des Stromwandlerkernes 12 stellt der Sekundärstrom i2 (t) keine proportionale Abbildung des Primärstromes ii (t) mehr dar, so dass der Sekundärstromverlauf durch den Sekundärleiter 14 durch die Stromwandlersättigung gestört ist.
Die mit der Messwerterfassungseinrichtung 16 aufgenommenen Messwerte des Sekundärstromes i2 (t) stellen damit entsprechend gestörte bzw. verfälschte Messwerte dar, die nicht den korrekten Verlauf des Primärstromes ii (t) wiedergeben. Hierdurch werden bei der Weiterverarbeitung der Messwerte des Sekundärstromes i2 (t) in elektrischen Geräten, wie beispielsweise elektrischen Messgeräten oder Schutzgeräten zur Überwachung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, im schlimmsten Fall Fehlfunktionen hervorgerufen. Im Falle eines elektrischen Schutzgerätes kann es hierdurch beispielsweise zu einer ungewollten Abschaltung eines Teils des elektrischen Energieversorgungsnetzes kommen.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem in durchgezogener Linie der Verlauf eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromes i2 (t) eines Stromwandlers über der Zeit t dargestellt ist. Zum Vergleich ist in gestrichelter Line der zeitliche Verlauf des Sekundärstromes i2 (t) für den Fall dargestellt, dass keine Stromwandlersättigung vorliegen würde. Man erkennt zu einem Zeitpunkt tstarti den Beginn eines ersten durch Stromwandlersättigung gestörten Sekundärstromverlaufes, der zum Zeitpunkt tEridei endet. Dem Endzeitpunkt der ersten Stromwandlersättigung tEridei folgt ein ungesättigter Verlauf des Sekundärstromes i2 (t) bis zum Zeitpunkt tstart2 ein zweiter durch Stromwandlersättigung gestörter Sekundärstromverlauf beginnt, der zum Zeitpunkt tEnde2 endet. Zwischen den Zeitpunkten tstarti und tEridei sowie tstart2 und tEnde2 ist folglich der Sekundärstromverlauf durch die Stromwandlersättigung gestört, die in diesen Zeiträumen erfassten Messwerte des Sekundärstromes ±2 (t) dürfen bei der weiteren Verarbeitung nicht in ihrer gestörten Form berücksichtigt werden, sondern müssen entsprechend korrigiert werden.
Figur 3 zeigt einen Abschnitt 30 eines im Übrigen nicht näher dargestellten elektrischen Energieversorgungsnetzes. Ein elektrisches Schutzgerät 31 ist mit einem Messeingang 32 über einen in Figur 3 lediglich als Symbol dargestellten Stromwandler 33 mit dem Abschnitt 30 des elektrischen
Energieversorgungsnetzes verbunden. Über den Messeingang 32 erfasst das elektrische Schutzgerät 31 den Sekundärstrom ±2 (t) in analoger Form. Der Sekundärstrom ±2 (t) wird mit einem Analog/Digital-Wandler 34 abgetastet und in digitale Messwerte i (n) umgesetzt, wobei der Index ,,n" zur
Nummerierung des jeweiligen Abtastzeitpunktes dient.
In nicht gezeigter Weise können auch weitere Vorverarbeitungsschritte hinsichtlich des Sekundärstromes ±2 (t) oder der Messwerte i (n) vorgenommen werden, wie beispielsweise eine analoge oder digitale Filterung. Schließlich werden die Messwerte i (n) einer Datenverarbeitungseinrichtung 35 des elektrischen Schutzgerätes 31 zugeführt, die anhand der Messwerte i (n) (und ggf. auch anderer in Figur 3 nicht dargestellter Messwerte) eine Entscheidung über den Zustand des Abschnittes 30 des elektrischen Energieversorgungsnetzes trifft. Erkennt die Datenverarbeitungseinrichtung 35 einen Fehler auf dem Abschnitt 30 des elektrischen Energieversorgungsnetzes, so gibt die Datenverarbeitungseinrichtung 35 über einen Auslöseausgang 36 ein Auslösesignal „TRIP" an einen Leistungsschalter 37 ab, der hierdurch zum Öffnen seiner Schaltkontakte veranlasst wird und somit den Abschnitt 30 des elektrischen Energieversorgungsnetzes vom restlichen Energieversorgungsnetz abtrennt.
Um keine ungewollte Fehlauslösung des Leistungsschalters 37 aufgrund durch Stromwandlersättigung gestörter Messwerte i (n) zu erhalten, wird in der Datenverarbeitungseinrichtung 35 des elektrischen Schutzgerätes 31 auch eine Überwachung der Messwerte i (n) auf eine Störung durch Stromwandlersättigung durchgeführt. Im Falle einer solchen Störung werden die betroffenen Messwerte i (n) entsprechend korrigiert, um die Störung durch Stromwandlersättigung zu kompensieren.
Obwohl in Figur 3 beispielhaft auf ein elektrisches Schutzgerät 31 Bezug genommen worden ist, kann stattdessen mit dem Abschnitt 30 des elektrischen Energieversorgungsnetzes auch ein anderes elektrisches
Feldgerät, beispielsweise ein Messgerät oder ein sogenanntes Power-Quality-Gerät zur Überwachung der
Elektroenergiequalität des elektrischen Stromes in dem Abschnitt 30, verbunden sein.
Figur 4 zeigt ein Verfahrensfließbild zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes eines Stromwandlers. In einem ersten Schritt 40 wird ein Sekundärstrom i2 (t) über den Stromwandler erfasst. Der erfasste Sekundärstrom i2 (t) wird in einem zweiten Schritt 41 mit einem Analog/Digital-Wandler (beispielsweise dem Analog/Digital-Wandler 34 in Figur 3) in digitale Messwerte i (n) umgesetzt .
Bezüglich des aktuellen Messwertes i (n) wird in einem weiteren Schritt 42 abgeprüft, ob eine Störung durch Stromwandlersättigung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so wird der nächstfolgende Messwert aus dem Sekundärstrom i2 (t) erfasst, wie dies durch den Ausdruck ,,i(n+l) ..." in Schritt 43 angedeutet ist. Dieser nächstfolgende Messwert wird wiederum als aktueller Messwert i (n) gemäß Schritt 41 behandelt und im Schritt 42 auf eine Störung durch Stromwandlersättigung überprüft.
Wird in Schritt 42 erkannt, dass eine Störung durch Stromwandlersättigung vorliegt, so wird in Schritt 44 ein Startzeitpunkt tStart festgelegt, der den Beginn der Stromwandlersättigung angibt. In einem weiteren Schritt 45 werden anhand von Messwerten, die vor dem Startzeitpunkt tstart ~ also im ungesättigten Bereich - liegen, charakteristische Parameter des Sekundärstromverlaufes bei fehlender Sättigung bestimmt. Unter Verwendung dieser charakteristischen Parameter wird dann in Schritt 46 eine Korrektur des aktuellen Messwertes vorgenommen.
In einem weiteren Schritt 47 wird nachfolgend überprüft, ob bereits ein Ende der Störung durch Stromwandlersättigung erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so wird - wie durch Schritt 48 mit der Formulierung ,,i(n+l) ..." angedeutet - der nächstfolgende Messwert aus dem Sekundärstrom i2 (t) erfasst und unter Verwendung der im Schritt 45 ermittelten charakteristischen Parameter einer Korrektur in Schritt 46 unterzogen .
Ergibt die Überprüfung in Schritt 47, dass ein Ende der Störung durch Sättigung erreicht ist, so wird ein
Endzeitpunkt tEride festgesetzt. Die nach diesem Endzeitpunkt tEnde aufgenommenen Messwerte i (n) werden keiner Korrektur mehr unterzogen, da sie nicht durch Stromwandlersättigung gestört sind. Folglich gibt Schritt 49 das Ende des erläuterten Verfahrens bezüglich der erkannten
Stromwandlersättigung an. Das Verfahren beginnt danach zur Erkennung einer nächsten Störung durch Stromwandlersättigung wieder bei Schritt 41 mit der Erfassung des nächsten aktuellen Messwertes i (n) .
Das in Figur 4 dargestellte Verfahren zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes kann mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die über entsprechende Rechenleistung verfügt, in Echtzeit durchgeführt werden, da jeder durch Stromwandlersättigung gestörte Messwert unverzüglich einer Korrektur unterzogen wird. Um kleinere Verzögerungen in der Berechnung auszugleichen, kann ein Pufferspeicher verwendet werden, der die aufgenommenen Messwerte zwischenspeichert.
Hingegen stellt das in dem weiteren Verfahrensfließbild gemäß Figur 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Korrigieren eines durch Stromwandlersättigung gestörten Sekundärstromverlaufes ein Verfahren dar, das nicht in Echtzeit durchgeführt wird. Dieses Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann auch mit Datenverarbeitungseinrichtungen mit geringerer Rechenleistung durchgeführt werden, sofern eine gewisse Verzögerung der Korrektur der Messwerte hingenommen werden kann. Dies ist beispielsweise bei Power-Quality- Geräten der Fall, da hier abweichend zu einem Schutzgerät üblicherweise keine zeitkritische Entscheidung über einen Sicherheitszustand des elektrischen Energieversorgungsnetzes getroffen werden muss.
Da das Verfahren gemäß Figur 5 in der Mehrzahl seiner Schritte dem Verfahren gemäß Figur 4 entspricht, sind die sich entsprechenden Verfahrensschritte durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Abfolge der Verfahrensschritte 40 bis 45 ist dieselbe wie bei dem in Figur 4 behandelten Ausführungsbeispiel.
Nach der Bestimmung der charakteristischen Parameter in Schritt 45 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 zunächst in einem folgenden Schritt 50 überprüft, ob die Störung durch Stromwandlersättigung beendet ist. Ist dies nicht der Fall, so wird, wie durch Schritt 51 angedeutet, der nächste Messwert aufgenommen und wiederum in Schritt 50 daraufhin überprüft, ob ein Ende der Störung durch Stromwandlersättigung vorliegt.
Wird in Schritt 50 das Ende der Störung durch Stromwandlersättigung erkannt, wird der Endzeitpunkt tEnde festgelegt. Erst anschließend werden im Schritt 52 alle zwischen dem Startzeitpunkt tstart und dem Endzeitpunkt tEnde aufgenommenen Messwerte einer Korrektur unterzogen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 unterscheidet sich folglich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 dadurch, dass zunächst der Endzeitpunkt tEride abgewartet wird und erst dann in einem gemeinsamen Korrekturschritt alle zwischen dem Startzeitpunkt und dem Endzeitpunkt aufgenommenen Messwerte korrigiert werden. Nach der in Schritt 52 vorgenommenen Korrektur endet in Schritt 53 das Verfahren bezüglich der erkannten Störung und es beginnt wiederum beim nächsten Messwert das Verfahren erneut, um die nächste Störung durch Stromwandlersättigung erkennen zu können.
Im Folgenden sollen ausgewählte wesentliche
Verfahrensschritte der Ausführungsbeispiele gemäß Figur 4 und Figur 5 näher erläutert werden.
I. Erkennung einer Störung durch Sättigung (Schritt 41 in Figuren 4 und 5)
Jeder aktuelle aufgenommene Messwert i (n) des
Sekundärstromverlaufes ±2 (t) wird daraufhin überprüft, ob er durch eine Störung aufgrund Stromwandlersättigung verfälscht ist. Ein Logik-Diagramm der Vorgehensweise zur Überprüfung auf Störung durch Stromwandlersättigung ist in Figur 6 dargestellt. Zum besseren Verständnis der Vorgehensweise kann das in Figur 8 dargestellte Diagramm herangezogen werden, in dem ein durch Stromwandlersättigung gestörter Sekundärstromverlauf ±2 (t) über der Zeit t aufgetragen ist. In gestrichelter Linie ist zum Vergleich der (erwartete) ungesättigte Verlauf des Sekundärstromes dargestellt, während in durchgezogener Linie der durch Sättigung gestörte Verlauf des Sekundärstromes dargestellt ist.
In einem Block 60 wird der jeweils aktuelle Messwert i (n) zur Überprüfung auf Störung durch Stromwandlersättigung bereitgestellt. Zur Überprüfung, ob der aktuelle Messwert i (n) durch Stromwandlersättigung gestört ist, wird der aktuelle Messwert i (n) einem ersten Schwellenwertglied 61 zugeführt. In diesem Schwellenwertglied wird zunächst ein erster Differenzwert als Betrag der Differenz zwischen dem aktuellen Messwert i (n) und einem Vorhersagewert ie (n) , der einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes unter Verwendung zumindest zweier dem aktuellen Messwert i (n) unmittelbar vorangehender Messwerte i(n-l) und i(n-2) angibt, gebildet. Dieser erste Differenzwert wird mit einem ersten Schwellenwert SW1 derart verglichen, dass sich die Bedingung gemäß folgender Gleichung (1) ergibt.
|/e(n)-/(n)|>^ (D
Der Vorhersagewert ie (n) wird unter der Annahme bestimmt, dass sich bei genügend kleinem zeitlichem Abstand der Abtastungen der Messwerte i (n) die Steigung des Sekundärstromverlaufes zwischen zwei Abtastwerten quasi nicht verändert und folglich die erste zeitliche Ableitung des Verlaufes konstant ist. Bei Verwendung der dem aktuellen Messwert i (n) unmittelbar vorangehenden beiden Messwerte i (n- 1) und i(n-2) ergibt sich unter dieser Annahme zur Berechnung des Vorhersagewertes ie (n) die folgende Gleichung (2)
ie(n) = 2i(n-l)-i(n-2) (2)
Der in dem Schwellenwertglied 61 verwendete Schwellenwert SW1 kann beispielsweise einen beliebigen fest vorgegebenen Wert besitzen. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch angesehen, wenn der Schwellenwert SW1 zur Beurteilung des aktuellen Abtastwertes i (n) von der Höhe des dem aktuellen Abtastwert i (n) unmittelbar vorangehenden Abtastwertes i(n-l) abhängt. Hierdurch wird nämlich gewährleistet, dass in Fällen sehr hoher Messwerte auch ein entsprechend hoher Schwellenwert SW1 verwendet wird. So wird für die Entscheidung, ob eine Störung durch Stromwandlersättigung vorliegt, eine ausreichende Toleranz gewährleistet. Zur Bildung des Schwellenwertes SWi wird demgemäß folgende Gleichung (3) vorgeschlagen
SW1 = 0,2i(n - 1) ( 3 ) ,
wobei anstelle des Wertes 0,2 auch andere Faktoren eingesetzt werden können.
Ergibt die Überprüfung in dem Schwellenwertglied 61, dass der erste Differenzwert gemäß Gleichung (1) dem ersten
Schwellenwert SW1 entspricht oder diesen überschreitet, so wird ein erstes Sättigungsverdachtssignal V1 erzeugt, und es wird ein eine Störung durch Sättigung angebendes Sättigungssignal S in Block 62 erzeugt, wenn das erste Sättigungsverdachtssignal V1 vorliegt.
Wenn das Sättigungssignal S durch Block 62 erzeugt worden ist, wird in den Schritten 42 gemäß Figuren 4 und 5 eine Stromwandlersättigung erkannt, so dass die folgenden Schritte zur Korrektur der gestörten Messwerte eingeleitet werden können .
Um das in Figur 6 dargestellte vergleichsweise einfache Verfahren zu Erkennung einer Stromwandlersättigung noch zuverlässiger auszubilden, können bezüglich des aktuellen Messwertes weitere Bedingungen geprüft werden. Dies ist in Figur 7 dargestellt. Die in Figur 7 hinzukommenden Bedingungen können optional einzeln oder gemeinsam eingesetzt werden .
Wie bereits zu Figur 6 erläutert, wird zunächst der aktuelle Messwert i (n) in Block 70 bereitgestellt. Im ersten Schwellenwertglied 71 findet die bereits im Zusammenhang mit Figur 6 besprochene Prüfung statt, die zur Erzeugung des ersten Sättigungsverdachtssignals Vi führt. Gemäß Figur 7 wird dieses erste Sättigungsverdachtssignal Vi nunmehr einem Eingang eines ersten UND-Gliedes 72 zugeführt.
Um die Zuverlässigkeit der Überprüfung, ob eine Stromwandlersättigung vorliegt oder nicht, weiter zu erhöhen, kann in einem zweiten Schwellenwertglied 73 geprüft werden, ob der Betrag des ersten Differenzwertes | ie (n) -i (n) | einem zweiten Schwellenwert SW2 entspricht oder diesen überschreitet, wie in folgender Gleichung (4) dargestellt ist .
Figure imgf000023_0001
Ist die Bedingung gemäß Gleichung (4) erfüllt, so wird ein zweites Sättigungsverdachtssignal V2 erzeugt und einem weiteren Eingang des ersten UND-Gliedes 72 zugeführt.
Der zweite Schwellenwert SW2 wird vorzugsweise in
Abhängigkeit eines sekundärseitigen Nennstromes INenn festgelegt, für den der Stromwandler im normalen Betrieb ausgelegt ist, so dass beispielsweise Gleichung (5) verwendet werden kann.
5^=0,5-/^ (5)
Anstelle des Faktors 0,5 können auch andere geeignete Faktoren verwendet werden. Durch die Verwendung eines in Abhängigkeit vom Nennstrom festgelegten Schwellenwertes SW2 können bezogen auf den Nennstrom des Stromwandlers vergleichsweise hohe Abweichungen des aktuellen Messwertes i (n) von dem Vorhersagewert ie (n) erkannt werden; bei einer solchen Abweichung ist die Wahrscheinlichkeit einer Stromwandlersättigung vergleichsweise hoch.
Gemäß einer weiteren Bedingung zur Prüfung auf Stromwandlersättigung kann in Block 74 überprüft werden, ob zwischen dem aktuellen Strommesswert i (n) und einem unmittelbar davor aufgenommenen Messwert i(n-l) ein Nulldurchgang stattgefunden hat, d. h. ob ein
Vorzeichenwechsel eingetreten ist. Dies wird gemäß folgender Gleichung (6) geprüft, wobei die Funktion „Sign" zur
Ermittlung des Vorzeichens des jeweiligen Messwertes dient.
Sign(i(n))=Sign(i(n-l)) (6)
Block 74 gibt dann ein drittes Sättigungsverdachtssignal V3 an seinem Ausgang ab, wenn kein Vorzeichenwechsel stattgefunden hat, also der aktuelle Messwert i (n) und der unmittelbar vorangehende Messwert i(n-l) dasselbe Vorzeichen aufweisen. Das dritte Sättigungsverdachtssignal V3 wird einem weiteren Eingang des ersten UND-Gliedes 72 zugeführt.
In einem dritten Schwellenwertbaustein 75 kann schließlich geprüft werden, ob der Betrag des Vorhersagewertes ie (n) oberhalb eines dritten Schwellenwertes SW3 liegt, wie in folgender Gleichung (7) dargestellt ist.
Figure imgf000024_0001
Hierdurch wird berücksichtigt, dass die Wahrscheinlichkeit einer Stromwandlersättigung bei sehr hohen Strömen vergleichsweise hoch ist. Ist die Bedingung gemäß Gleichung (7) erfüllt, wird ein viertes Sättigungsverdachtssignal V4 erzeugt und einem weiteren Eingang des ersten UND-Gliedes 72 zugeführt .
Beispielsweise kann als dritter Schwellenwert SW3 ein Schwellenwert gemäß folgender Gleichung (8) gewählt werden, so dass auch der dritte Schwellenwert SW3 in Abhängigkeit von dem (bezüglich der Sekundärseite des Stromwandlers) vorgesehenen Nennstrom INenn des Stromwandlers festgelegt sein kann .
SW3=I- INenn (8)
Anstelle des Faktors 2 kann auch in diesem Fall ein geeigneter anderer Faktor verwendet werden.
Das erste UND-Glied 72 liefert dann ein Ausgangssignal, wenn alle abgeprüften Bedingungen erfüllt sind, d. h. wenn alle Sättigungsverdachtssignale V1 bis V4 eingangsseitig an dem ersten UND-Glied 72 anstehen. Das von dem ersten UND-Glied 72 abgegebene Ausgangssignal wird einem zweiten UND-Glied 76 eingangsseitig zugeführt.
Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, zusätzlich zu der in Schwellenwertglied 71 formulierten Bedingung nur einen Teil der übrigen Bedingungen zur Prüfung vorzusehen. In diesem Fall liefert das erste UND-Glied 72 dann ein Ausgangssignal, wenn alle zu den jeweils abgeprüften Bedingungen gehörenden Verdachtssignale anstehen.
Um die Zuverlässigkeit der Überprüfung auf
Stromwandlersättigung noch weiter zu erhöhen, kann in einem vierten Schwellenwertglied 77 überprüft werden, ob der Betrag des ersten Differenzwertes | ie (n) -i (n) | gemäß Gleichung (9) einem vierten Schwellenwert SW4 entspricht oder diesen übersteigt .
Figure imgf000026_0001
Der vierte Schwellenwert SW4 kann in diesem Fall beispielsweise gemäß Gleichung (10) gewählt werden.
Figure imgf000026_0002
Der vierte Schwellenwert ist wiederum in Abhängigkeit des (sekundärseitigen) Nennstromes des Stromwandlers gewählt, wobei auch hier wiederum andere Faktoren denkbar sind. Die Bedingung gemäß Gleichung (9) ist üblicherweise zu Beginn eines primärseitig aufgetretenen Fehlers erfüllt. Ist die Bedingung gemäß Gleichung (9) erfüllt, so wird ein erstes Sättigungsrücknahmesignal Ri an ein drittes UND-Glied 78 abgegeben .
Außerdem wird in einem fünften Schwellenwertglied 79 überprüft, ob der Verdachtswert ie (n) gemäß Gleichung (11) unterhalb eines fünften Schwellenwertes SW5 liegt.
Figure imgf000026_0003
Der fünfte Schwellenwert SW5 kann in diesem Fall beispielsweise gemäß Gleichung (12) in Abhängigkeit von dem aktuellen Messwert i (n) gewählt werden.
SW5= 0,8-|/(^ (12) Die Bedingung gemäß Gleichung (11) ist beispielsweise bei einer Laständerung auf der Primärseite des Stromwandlers erfüllt.
Ist auch die Bedingung gemäß Gleichung (11) erfüllt, wird ein zweites Sättigungsrücknahmesignal R2 an das dritte UND-Glied 78 abgegeben. Nur in dem Fall, dass beide Sättigungsrücknahmesignale Ri und R2 gleichzeitig eingangsseitig an dem dritten UND-Glied 78 anstehen, wird ein Rücknahmesignal R von dem dritten UND-Glied 78 erzeugt und in invertierter Form dem zweiten UND-Glied 76 zugeführt.
Das zweite UND-Glied 76 gibt daher genau dann ein Ausgangssignal an den Block 80 zur Erzeugung des Sättigungssignals S ab, wenn alle Sättigungsverdachtssignale der abgeprüften Bedingungen und gleichzeitig nicht das Rücknahmesignal R (also beide Sättigungsrücknahmesignale Ri und R2) vorliegen. Mit anderen Worten wird durch die Rücknahmebedingungen die Erzeugung eines Sättigungssignals dann blockiert, wenn genau beide Rücknahmebedingungen erfüllt sind.
II. Bestimmung des Startzeitpunktes (Schritt 44 in Figuren 4 und 5)
Der Startzeitpunkt tstart/ zu dem die Stromwandlersättigung beginnt, und damit der erste Messwert, der durch Stromwandlersättigung gestört ist, kann im einfachsten Fall dadurch festgelegt werden, dass bei diesem Messwert die im Schritt 42 (vgl. Figuren 4 und 5) durchgeführte Überprüfung auf Stromwandlersättigung zum ersten Mal eine Störung erkannt hat. In diesem Fall müssen keine zusätzlichen Berechnungen zur Bestimmung des Startzeitpunktes tstart durchgeführt werden .
Um den Startzeitpunkt tstart noch genauer bestimmen zu können, besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen zweiten Differenzwert als Betrag der Differenz zwischen dem aktuellen Messwert i (n) und einem Schätzwert is (n) zu bilden, wobei der Schätzwert is (n) einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes unter Verwendung zumindest dreier dem aktuellen Messwert i (n) unmittelbar vorangehender Messwerte angibt. Dieser Zusammenhang ist grafisch in einem Diagramm in Figur 9 dargestellt, in dem wiederum in durchgezogener Linie der zeitliche Verlauf eines durch Stromwandlersättigung gestörten Sekundärstromes ±2 (t) und in gestrichelter Linie der (erwartete) ungesättigte Verlauf des Sekundärstromes dargestellt ist.
Unter der Annahme, dass zwischen den Messwerten i (n) , i(n-l) sowie i(n-l) und i(n-2) die zweite zeitliche Ableitung des Sekundärstromverlaufes konstant bleibt, lässt sich der Schätzwert is (n) gemäß Gleichung (13) berechnen.
is(n) = 3i(n -1) - 3i(n -2) + i(n-3) (13)
Somit lässt sich der Schätzwert is (n) unter Zuhilfenahme der dem aktuellen Messwert vorhergehenden drei Messwerte i(n-l), i(n-2) und i (n-3) bestimmen.
Die Genauigkeit lässt sich noch weiter erhöhen, wenn man annimmt, dass auch die dritte zeitliche Ableitung des Sekundärstromverlaufes konstant bleibt, so dass in diesem Fall für den Schätzwert is (n) Gleichung (14) gilt is (n) = 4i(n - 1) -6i(n - 2) +4i(n - 3) - i(n - 4) ( 14 ) ,
so dass der Schätzwert is (n) unter Zuhilfenahme der vier unmittelbar vor dem aktuellen Messwert liegenden Messwerte bestimmt wird.
Der Startzeitpunkt tstart wird dann erkannt, wenn gemäß folgender Gleichung (15) die Differenz zwischen dem Betrag des Schätzwertes is (n) und dem Betrag des aktuellen
Messwertes i (n) größer ist als ein sechster Schwellenwert SW6.
is(n)\-\i(n)\ >SW6 (15)
Hierbei kann der sechste Schwellenwert SW6 beispielsweise gemäß Gleichung (16) in Abhängigkeit des Schätzwertes is (n) und einem Faktor F gebildet werden, der die Schätzgenauigkeit des Algorithmus berücksichtigt. Der Faktor F wird in Abhängigkeit der Abtastfrequenz, mit der die Messwerte aufgenommen werden, und der Genauigkeit der verwendeten Gleichung (13 oder 14) gewählt und kann beispielsweise zwischen 0,02 und 0,12 liegen.
Figure imgf000029_0001
Derjenige Messwert, der mit dem Startzeitpunkt tstart zusammenfällt, erhält eine entsprechende Markierung; ab diesem Messwert muss im Folgenden eine Korrektur der Messwerte vorgenommen werden (vgl. Figuren 4 und 5) . III. Bestimmung des Endzeitpunktes (Schritt 47 in Figur 4, Schritt 50 in Figur 5)
Zum Festlegen des Endzeitpunktes tEride, der das Ende der Stromwandlersättigung markiert, wird die Tatsache ausgenutzt, dass beim Durchlaufen einer kompletten Sättigungsphase der magnetische Fluss im Stromwandlerkern und somit auch das Integral über den Sekundärstrom den Wert Null annimmt. Dies ist anhand von Figur 10 näher dargestellt, die ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des durch Sättigung gestörten Sekundärstromes ±2 (t) in durchgezogener Linie zeigt.
Zum Bestimmen des Endzeitpunktes tEnde wird jeweils das Integral zwischen dem Startzeitpunkt tstart und dem aktuellen Messwert i (n) gebildet. Ergibt das Integral den Wert Null, so ist der Endzeitpunkt tEnde erreicht. Anschaulich gesehen müssen hierzu die Flächen 101 und 102 in Figur 10 denselben Betrag annehmen.
Fällt der aktuelle Messwert i (n) beispielsweise auf den in Figur 10 dargestellten Zeitpunkt tm, so ist der Bestandteil 102a der Fläche 102 hinsichtlich seines Betrages kleiner als die Fläche 101. Der Endzeitpunkt ist zu diesem Zeitpunkt tm folglich noch nicht erreicht. Zum in Figur 10 markierten Zeitpunkt tEnde entsprechen sich die Beträge der Flächen 101 und 102, so dass das Integral den Wert Null annimmt. Somit gilt für den Endzeitpunkt tEride die Gleichung (17) .
)
Figure imgf000030_0001
tStart Hierbei ist mit R der Widerstand des sekundären Wandlerkreises bezeichnet. Das Integral gemäß Gleichung (17) gibt somit den magnetischen Fluss im Wandlerkern an.
Der Messwert, der mit dem Endzeitpunkt zusammenfällt, wird wiederum markiert. An dieser Stelle muss die Korrektur der Messwerte beendet werden, da danach ein ungesättigter Sekundärstromverlauf beginnt.
IV. Bestimmung der Parameter des ungesättigten Sekundärstromverlaufes (Schritt 45 in Figuren 4 und 5)
Im Folgenden wird erläutert, wie die zur Korrektur der durch Wandlersättigung gestörten Messwerte benötigten charakteristischen Parameter des ungesättigten Stromverlaufes bestimmt werden. Die charakteristischen Parameter werden unter Zuhilfenahme von Messwerten gebildet, die vor dem Startzeitpunkt tstart aufgenommen worden sind. Zur Bestimmung der charakteristischen Parameter kann vorteilhaft die
Tatsache ausgenutzt werden, dass sich Stromverläufe, die beispielsweise aufgrund von Fehlern in dem elektrischen Energieversorgungsnetz entstehen, mit guter Näherung durch Überlagerung einer Grundschwingung mit einer Gleichstromkomponente darstellen lassen. Folglich müssen als charakteristische Parameter des ungesättigten Sekundärstromverlaufes einerseits eine Amplitude Ii der Grundschwingung und andererseits ein Anfangswert Io und eine Zeitkonstante Ta des Gleichstromanteils, bei dem es sich üblicherweise um einen exponentiell abnehmenden Gleichstromanteil handelt, bestimmt werden.
Nachfolgend wird beschrieben, wie die charakteristischen Parameter der Grundschwingung und der Gleichstromkomponente des ungesättigten Stromverlaufes aus wenigen vor dem Startzeitpunkt tstart liegenden Messwerten bestimmt werden. Hierzu wird davon ausgegangen, dass vier Messwerte aus dem ungesättigten Verlauf zur Verfügung stehen. Dies sind i(n-l), i (n-2) , i (n-3) und i (n-4) . Für den Messwert i (n-4) gilt Gleichung (18) :
i{n- A)=I0 -I1 -cos(ω-t + φ-ε) (18)
Für die übrigen Messwerte i (n-3) , i(n-2) und i(n-l) gelten entsprechend Gleichungen (19) bis (21)
i(n - 3) =/0 • e~τ - I1 ■ cos(ω -t + φ) (19) i(n -I)=I0- e~2τ - I1 ■ cos(<» -t + φ + ε) (20) i(n-l)=/0-e~3r -Ii -cos(ω-t + φ + 2ε) (21)
Für die Gleichungen mit (18) bis (21) wurden folgende Formelzeichen verwendet:
Ii : Amplitude der Grundschwingung
Io : Anfangswert der Gleichstromkomponente
Ts: Abtastzeit
Ta: Zeitkonstante der Gleichstromkomponente φ: Phasenverschiebung τ = Ts/Ta ε = Ts*ω
Ordnet man die Gleichungen (18) bis (21) in eine Gleichung ein, erhält man:
i(n - 1) + i(n - 4) = I0[(l+ e~2τ)- 2e~τ ■ cos(ε)] + 2i(n -3) ■ cos(ε) (22) Für kleine Werte von τ kann die Gleichung (22) vereinfacht werden, wobei die Annahme gemäß Gleichung (23) gilt.
l + e~2τ~2-e~τ (23)
Setzt man die Gleichung (23) in (22) ein, kann man den Wert der Gleichstromkomponente berechnen, der dem Messwert zum Zeitpunkt (n-3) entspricht.
ι __τ ^ i(n -2) - 2i(n -3) • cos(ε) + i(n -4) °'e ~ 2-(l-cos(f))
Entsprechend kann man schreiben:
_2r i(n -1) - 2i(n - X) ■cos(ε) +i(n -3) h ■ e ~ (25)
2-(l-cos(s))
Daraus ergibt sich der expotentielle Anteil der Gleichstromkomponente zu:
c-T „ i(n ~1) ~ 2i(n -2) ■cosjε) +i(n -3) i(n - 2) - 2i(n -3) • cos(ε) + i(n -4)
Hieraus ergibt sich τ und mit der Bedingung τ = Ts/Ta auch der Wert der Zeitkonstante Ta der Gleichstromkomponente. Setzt man Gleichung (26) in Gleichung (25) ein, lässt sich der Anfangswert Io der Gleichstromkomponente berechnen.
Mit beispielsweise den Messwerten i(n-2) und i (n-3) kann unter Verwendung der Gleichungen (19) und (20) bei bekannter Gleichstromkomponente die Amplitude Ii der Grundschwingung bestimmt werden. Eine Methode ist die Nutzung der Messwerte und der ersten Ableitung zwischen den Zeitpunkten (n-2) und (n-3) , so dass sich ergibt:
Figure imgf000034_0001
Wobei die Stromwerte ip(n-2) und ip(n-3) mit folgenden aus (19) und (20) resultierenden Gleichungen bestimmt werden:. ip(n-3)=i (n-3) - I0 -e~ (28)
ip(n-2)=i (n-2) - I0 -e -2τ (29)
Auf diese Weise sind die benötigten charakteristischen Parameter, nämlich die Amplitude Ii der Grundschwingung und der Anfangswert Io sowie die Zeitkonstante Ta der Gleichstromkomponente bestimmt worden.
V. Korrektur der durch Sättigung gestörten Messwerte (Schritt 46 in Figur 4, Schritt 52 in Figur 5)
Mit den auf die beschriebene Weise bestimmten charakteristischen Parametern können die durch Sättigung gestörten Messwerte korrigiert werden.
Zur Korrektur der gestörten Messwerte wird zunächst der Phasenwinkel γ für den Abtastwert ip(n-2) geschätzt. Dies erfolgt mit der Gleichung:
Y - (ω * t + φ + ε ) = sign[ip {n - 2) - ip (n - arccos : 30 )
Figure imgf000034_0002
Damit ergeben sich die korrigierten Messwerte ic zwischen dem Startzeitpunkt tstart und dem Endzeitpunkt tEnde zu
Λnstart+h) = (I0 ■ e zτ) ■ e ^'^-I, - cos (χ+(h+2) - ε) ( 31 )
Hierbei ist mit nStart der Messwert zum Startzeitpunkt tstart bezeichnet. Der Zähler h ändert sich zwischen 0 (für den ersten Messwert der betroffenen Sättigungsperiode) und k (für den letzten Messwert der Sättigungsperiode) .
Gleichung (31) kann sowohl in Echtzeit als auch mit gespeicherten Messwerten durchgeführt werden. Bei Durchführung in Echtzeit wird die Korrektur immer bis zum aktuellen Messwert i (n) durchgeführt, der in diesem Fall dem Messwert i (nStart+h) entspricht, bis der Endzeitpunkt tEnde wie oben erläutert erkannt wird.
VI. „Künstliche Verlängerung" des ungesättigten Sekundärstromverlaufes
Um eine möglichst zuverlässige Bestimmung der charakteristischen Parameter des ungesättigten Sekundärstromverlaufes vornehmen zu können, sollten möglichst viele Messwerte aus dem ungesättigten Bereich des
Stromwandlers vorliegen. Sind zu wenige Messwerte in dem ungesättigten Bereich aufgenommen worden, so lässt sich der Bereich ohne Stromwandlersättigung künstlich erweitern, indem auf der Basis der vor dem Startzeitpunkt tstart vorhandenen Messwerte Zukunftswerte gebildet werden, die einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes ±2 (t) nach dem Startzeitpunkt tstart angeben. Hierbei sollten mindestens zwei Zukunftswerte gebildet werden, um die Anzahl der für die Berechnung der charakteristischen Parameter verwendbaren Messwerte zu erhöhen. Die künstliche Erweiterung des ungesättigten Verlaufes kann anhand von Figur 11 näher erläutert werden.
Die Vorhersage dreier Zukunftswerte, also der auf den
Startzeitpunkt tstart folgenden Messwerte iF(n), iF(n+l) und iF(n+2) ohne Sättigungseinfluss wird mit folgenden Gleichungen (32) bis (34) durchgeführt. Auf diese folgende Zukunftswerte werden entsprechend abgeleitet.
iF{n)*2i{n-\)-{n-2) (32)
iF(n +l)χ4iF(n)-6i(n-l) + 4i(n-2)-i(n-3) (33)
iF(n + 2)χ4iF(n +l)-6iF(n) + 4i(n-l)-i(n-2) (34)
Die charakteristischen Parameter werden dann unter Verwendung der vorhandenen Messwerte aus dem ungesättigten Verlauf sowie der aus diesen berechneten Zukunftswerte gebildet.
Die Bestimmung der Zukunftswerte kann auch dann sinnvoll sein, wenn beispielsweise in einem elektrischen Schutzgerät einige auf den Startzeitpunkt tstart folgende Messwerte in Form von Zukunftswerten kurzfristig benötigt werden, um einen sicherheitskritischen Schutzalgorithmus in kurzer Zeit durchzuführen. In diesem Fall kann der Schutzalgorithmus auf Grundlage der Zukunftswerte durchgeführt werden. Die Korrektur der durch Sättigung gestörten Messwerte erfolgt gleichzeitig. Der Schutzalgorithmus muss in diesem Fall daher nicht abwarten, bis die Korrektur der durch Sättigung gestörten Messwerte erfolgt ist.

Claims

PatentansprüchePatentansprüche
1. Verfahren zum Korrigieren eines durch Sättigung gestörten Sekundärstromverlaufes (i2(t)) eines Stromwandlers (10), bei dem
- Messwerte (i (n) ) des Sekundärstromverlaufes (i2(t)) des Stromwandlers (10) erfasst werden; - die erfassten Messwerte (i (n) ) auf Vorliegen einer Störung durch Sättigung überprüft werden;
- bei Vorliegen einer Störung durch Sättigung ein Startzeitpunkt (tstart) t der den Beginn der Sättigung angibt, bestimmt wird; und - die nach dem Startzeitpunkt (tstart) erfassten Messwerte unter Kompensation der Störung korrigiert werden; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- anhand von Messwerten, die vor dem Startzeitpunkt (tstart) erfasst worden sind, charakteristische Parameter des Sekundärstromverlaufes (i2(t)) bei fehlender Sättigung bestimmt werden; und
- unter Verwendung der bestimmten charakteristischen Parameter ein korrekter Verlauf der nach dem Startzeitpunkt (tstart) aufgenommenen Messwerte berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- anhand der vor dem Startzeitpunkt (tstart) erfassten Messwerte charakteristische Parameter einer Grundschwingung und einer Gleichstromkomponente des Sekundärstromverlaufs (i2 (t) ) bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - als charakteristischer Parameter der Grundschwingung eine Amplitude (Ii) und als charakteristische Parameter der Gleichstromkomponente eine einen exponentiellen Anteil der Gleichstromkomponente beschreibende Zeitkonstante (Ta) und/oder ein Anfangswert (Io) des exponentiellen Anteiles bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - unter Verwendung vor dem Startzeitpunkt (tstart) aufgenommener Messwerte zumindest zwei Zukunftswerte gebildet werden, die einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes (i2 (t) ) nach dem Startzeitpunkt (tstart) angeben.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die charakteristischen Parameter des Sekundärstromverlaufes (i2 (t) ) bei fehlender Sättigung anhand von Messwerten, die vor dem Startzeitpunkt (tstart) erfasst worden sind, und den Zukunftswerten bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zum Überprüfen der Messwerte auf Vorliegen einer Störung durch Sättigung ein erster Differenzwert zwischen einem aktuellen Messwert (i (n) ) und einem Vorhersagewert (ie(n)) bestimmt wird, wobei der Vorhersagewert (ie(n)) einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes (i2(t)) unter Verwendung zumindest zweier dem aktuellen Messwert (i (n) ) unmittelbar vorangehender Messwerte angibt, und ein erstes Sättigungsverdachtssignal (V1) erzeugt wird, wenn der erste Differenzwert einem ersten Stromschwellenwert (SW1) entspricht oder diesen überschreitet; und - ein das Vorliegen einer Störung durch Sättigung angebendes Sättigungssignal (S) erzeugt wird, wenn das erste Sättigungsverdachtssignal (Vi) vorliegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der erste Differenzwert zwischen dem aktuellen Messwert
(i (n) ) und dem Vorhersagewert (ie(n)) auch mit einem zweiten Stromschwellenwert (SW2) verglichen wird, wobei der zweite Stromschwellenwert (SW2) in Abhängigkeit von einem Nennstrom (INenn) gewählt wird, für den der Stromwandler (10) ausgelegt ist, und ein zweites Sättigungsverdachtssignal (V2) erzeugt wird, wenn der erste Differenzwert dem zweiten Stromschwellenwert (SW2) entspricht oder diesen überschreitet; und
- das Sättigungssignal (S) nur dann erzeugt wird, wenn auch das zweite Sättigungsverdachtssignal (V2) vorliegt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- überprüft wird, ob zwischen dem aktuellen Messwert (i (n) ) und demjenigen Messwert, der unmittelbar davor erfasst worden ist, ein Vorzeichenwechsel stattgefunden hat, und ein drittes Sättigungsverdachtssignal (V3) erzeugt wird, wenn kein Vorzeichenwechsel stattgefunden hat; und
- das Sättigungssignal (S) nur dann erzeugt wird, wenn auch das dritte Sättigungsverdachtssignal (V3) vorliegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der Vorhersagewert (ie(n)) mit einem dritten Stromschwellenwert (SW3) verglichen wird und ein viertes Sättigungsverdachtssignal (V4) erzeugt wird, wenn der Betrag J
des Vorhersagewertes (ie(n)) oberhalb des dritten Stromschwellenwertes (SW3) liegt; und
- das Sättigungssignal (S) nur dann erzeugt wird, wenn auch das vierte Sättigungsverdachtssignal (V4) vorliegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der Differenzwert zwischen dem aktuellen Messwert (i (n) ) und dem Vorhersagewert (ie(n)) auch mit einem vierten Stromschwellenwert (SW4) verglichen wird, wobei der vierte
Stromschwellenwert (SW4) in Abhängigkeit von einem Nennstrom (INenn) gewählt wird, für den der Stromwandler (10) ausgelegt ist;
- der Vorhersagewert (ie(n)) mit einem fünften Stromschwellenwert (SW5) verglichen wird;
- ein Rücknahmesignal (R) erzeugt wird, wenn der Differenzwert dem vierten Stromschwellenwert (SW4) entspricht oder diesen überschreitet und der Vorhersagewert (ie(n)) kleiner als der fünfte Stromschwellenwert (SW5) ist; und - das Sättigungssignal (S) blockiert wird, wenn das Rücknahmesignal (R) vorliegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - zur Bestimmung des Startzeitpunktes (tstart) das Vorliegen des Sättigungssignals (S) überwacht wird; und
- der Startzeitpunkt dann (tstart) vorliegt, wenn das Sättigungssignal (S) erstmalig ansteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zur Bestimmung des Startzeitpunktes (tstart) / der den Beginn der Sättigung angibt, ein zweiter Differenzwert zwischen dem Betrag des aktuellen Messwertes (i (n) ) und dem Betrag eines Schätzwertes (is(n)) bestimmt wird, wobei der Schätzwert (is(n)) einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes (i2(t)) unter Verwendung zumindest dreier dem aktuellen Messwert (i (n) ) unmittelbar vorangehender Messwerte angibt; und - der Startzeitpunkt (tstart) dann vorliegt, wenn der zweite Differenzwert einen sechsten Stromschwellenwert (SW6) überschreitet .
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der Schätzwert (is(n)) einen erwarteten Verlauf des Sekundärstromes (i2(t)) unter Verwendung von vier dem aktuellen Messwert (i (n) ) unmittelbar vorangehenden Messwerten angibt.
14. Verfahren nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- auch ein Endzeitpunkt (tEnde) t der das Ende der Sättigung angibt, bestimmt wird, und
- die Korrektur der nach dem Startzeitpunkt (tstart) erfassten Messwerte mit dem Messwert beendet wird, der mit dem Endzeitpunkt (tEnde) zusammenfällt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zur Bestimmung des Endzeitpunktes (tEnde) ein zeitliches Integral über den erfassten Verlauf der Messwerte des Sekundärstromes (i2(t)) gebildet wird, wobei die Integration mit dem Messwert beginnt, bei dem der Startzeitpunkt (tstart) festgestellt worden ist, und mit dem aktuellen Messwert (i (n) ) endet; und
- der Endzeitpunkt (tEride) dann vorliegt, wenn das Integral den Wert Null ergibt.
16. Elektrisches Feldgerät (31) mit
- einer Messwerterfassungseinrichtung (34), die zur Erfassung von Messwerten eines Sekundärstromverlaufes (i2(t)) eines Stromwandlers (33) eingerichtet ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- eine Datenverarbeitungseinrichtung (35), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingerichtet ist.
PCT/EP2008/056613 2007-05-31 2008-05-29 Verfahren zum korrigieren eines durch sättigung gestörten sekundärstromverlaufes eines stromwandlers und elektrisches feldgerät zur durchführung eines solchen verfahrens WO2008145694A1 (de)

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