WO2012155974A1 - Verfahren zum erzeugen eines fehlersignals - Google Patents

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WO2012155974A1
WO2012155974A1 PCT/EP2011/058131 EP2011058131W WO2012155974A1 WO 2012155974 A1 WO2012155974 A1 WO 2012155974A1 EP 2011058131 W EP2011058131 W EP 2011058131W WO 2012155974 A1 WO2012155974 A1 WO 2012155974A1
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signal
membership functions
current
fuzzy membership
differential current
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PCT/EP2011/058131
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Daniel BEJMERT
Waldemar Rebizant
Ludwig Schiel
Andrzej Wiszniewski
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/62—Testing of transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/04—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for transformers
    • H02H7/045—Differential protection of transformers

Definitions

  • a method for generating an error signal The invention relates to a method for generating an error signal indicating whether an internal transformers ⁇ gate faults present or not.
  • He B., Zhang X., Bo Z., IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 21, No. 3, July 2006, pp. 1163-1168 describes a method for distinguishing between internal transformer inrush and errors, wherein said current waveform of the differential current with reference ⁇ waveforms are compared. Two different frequency conditions per half-wave are used.
  • Zengping W. Jing M., Yan X., Lei M., The Seventh International Power Engineering Conference, Singapore, "A New Principle of Discrimination Current and Internal Fault Current Transformer Based on Seif-Correction Function". November 2005, Vol. 2, pp. 614-617) discloses a correlation method in which fault currents are distinguished from turn-on currents by forming and evaluating a waveform correlation coefficient between the first half-wave and the subsequent half-wave of the differential current.
  • the document "Correlation analysis of waveforms in nonsuration zone-based method to identify the magnetizing inrush in transformer” (Bi DQ, Zhang XA, Yang HH, Yu GW, Wang XH, Wang WJ, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 22, No.
  • Hyung K. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 18, No. 3, July 2003, pp. 718-7244 discloses another fuzzy-based differential protection system for transformers.
  • the invention has for its object to provide a method for generating an error signal that indicates particularly zuver ⁇ casual, whether an internal transformer error is present.
  • a method according to the invention in which a differential current signal representative of the difference between the Pri ⁇ märstrom and - taking into account the transmission ratio of the transformer - indicates the secondary current of the transimpedance ⁇ formators, it is determined with the Differenzstromsig ⁇ nal a plurality of different criteria signals ER is evidence, any criteria signal are respectively allocated in ⁇ vidual fuzzy membership functions and at least two fuzzy membership functions are evaluated to form the error signal.
  • An essential advantage of the inventive method is that it can be determined very accurately, due to the use of at least each ⁇ wells two individual fuzzy membership functions per signal criteria whether a transformer error is present or not.
  • the error signal is preferably formed by a logical OR combination of the logical binary signals.
  • At least one of the decision paths for example a second decision path, at least the fuzzy membership functions of a criterion signal are assigned to the deformation coefficient Di d of the differential current in the non-saturated time interval of the differential current for the Detection of Windungshieln refers to small differential currents, and the logical binary signal of this decision path is formed with these fuzzy-train ⁇ hearing functions.
  • At least one of the decision paths for example a third decision path, at least in the fuzzy membership functions of a criteria signal are assigned, the up interval on the Verformungskoeffi ⁇ coefficient D2 d of the differential current in the non-saturated Zeitin- of refers differential current for fast Starbuckserken ⁇ voltage for large differential currents, and the logical binary decision this path with these fuzzy course ⁇ affiliation functions is formed.
  • three decision paths are formed, to each of which one or more of the fuzzy membership functions are assigned, wherein at least one of the fuzzy membership functions of a criterion signal is assigned to a first decision path the ratio K d i h between the fundamental I d i h of the differential current and the rated current I n of the transformer, and for this first decision path, a first logical binary signal is formed, indicating whether according to the test ⁇ result of the first decision path an internal Transformer error is present or not, a second decision path at least the fuzzy membership functions of a criteria signal are assigned, based on the deformation coefficient Di d of the differential current in the non-saturated time interval of the differential current for the detection of Windungshunt s at small differential currents relates, and a second logical binary signal is formed for this second decision path that indicates whether a present according to the check result of the second decision path in ⁇ ternal transformer error or not, a third decision path at least functions and the fuzzy of
  • the error signal is preferably formed in the latter case by a logical OR operation of the first, second and third logical binary signal.
  • the invention also relates to a differential ⁇ protection device for protecting a transformer. Erfindungsge ⁇ Gurss a computing device and a memory are provided, in which memory a program for controlling the computing device is stored and the program at from ⁇ execution by the computing device, a method for generating an error signal, as described above, performs ⁇ ,
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an arrangement with which the method according to the invention can be carried out
  • FIG. 2 shows a block diagram of an exemplary embodiment for determining DC components
  • FIG. 3 is a block diagram for calculating the Störkoef ⁇ efficient in unsaturation interval
  • FIG. 4 shows by way of example time profiles for the differential current and the deformation coefficient (interference coefficient) D ld .
  • FIG. 5 shows a block diagram for the upper decision path of the arrangement according to FIG. 1,
  • Figure 6 is a block diagram of the central decision-making ⁇ path the arrangement according to Figure 1
  • Figure 7 is a block diagram for the lower decision-making ⁇ path the arrangement according to Figure 1
  • FIG. 8 shows a block diagram for the evaluation of the results of the three decision paths according to FIG. 1 in more detail
  • FIG. 9 shows time profiles of the signals of the arrangement according to FIG. 9
  • FIG. 10 shows further time courses of the signals of the arrangement according to FIG. 1.
  • a generation of a final error signal see block 17 in FIG.
  • a first block 11 in which the current samples ii A (n), IIB (n) and ii C (n) on the primary side of the transformers ⁇ tors and the current samples i 2 A (n ), i 2B (n) and i 2 c (n) on the secondary side of the transformer, the corresponding differential currents i dA (n), i dB (n) and i dC (n) are determined.
  • criteria signals (criteria values ) K dlh (n), K d2 h (n), K DCO ff (n), D ld (n), K DCO n (n) and D 2d (n) are calculated , Fuzzyfication is performed in the downstream block 13, as will be explained in more detail below in connection with equations 32 to 49.
  • the block 14 contains three result paths EP1, EP2 and EP3 in which all or some of the criteria values already mentioned above are evaluated in each case.
  • the results are defuzzyfied and there are formed defuzzyfiziert decision signals COi (n), C0 2 (n) and CO 3 (n), which are each subjected to a threshold value comparison.
  • the threshold comparison is performed in blocks 16a, 16b and 16c.
  • the threshold comparison generates logical binary signals COI 'to C03' from the defuzzified decision signals COi (n), C0 2 (n) and CO 3 (n). These arrive an OR gate 17, which forms the error signal ST with a logi ⁇ rule "1" when it is concluded that an internal transformer fault, and a logical "0" is formed when no is detected in ⁇ ternal transformer faults.
  • FIG. 2 shows an example of a block diagram for Be ⁇ humor of the DC components.
  • a block 21 it is first determined whether a "fault" has occurred, at which time it still remains open whether there is only a switch-on process or an internal fault.
  • the differential current values id (n) are evaluated. For example, it is concluded that there is a "fault” if the differential current values id (n) exceed a predefined threshold in terms of magnitude.
  • the value for a VARIAB ⁇ r le is then determined in a block 22nd In a downstream block 23, the values T n (n) and IdDco (n) are determined. The corresponding values arrive at an evaluation block 24 in which the variable
  • IciDcon (n) is calculated.
  • the values arrive at a decision element 25, in which it is checked whether the respective sample value n is smaller than the window length N + 1. If this is the case, the values for the variable I dDCO ff (n) are calculated in a block 26. If the evaluation in block 25 shows that the comparison condition n ⁇ N + 1 is not fulfilled, the variable I dDCO ff (n) is calculated in a block 27.
  • FIG. 3 shows a block diagram for calculating the interference coefficients in the unsaturation interval.
  • a block 31 first the direction (or the sign) of the DC
  • a subsequent block 32 the interval for non-saturation is determined.
  • a nachge ⁇ associated block 33 the collected samples are approximated, and variables i and i ri aP a pr2 are determined.
  • the Subordinate block 34 serves to determine the interference coefficients in the unsaturation interval.
  • the Verformungskoeffi ⁇ coefficient (Störkofuren) are in the figure 3 with di d and D 2 c i, respectively.
  • FIG. 4 shows the extraction of the measurement results in the non ⁇ saturation interval, taking into account the signal model according to equation 33 (see below).
  • FIG. 5 illustrates by way of example the mode of operation of the first result path EP1 according to FIG.
  • the fuzzy membership functions fuzzy membership functions
  • L ( d i h (n))... ⁇ ⁇ (K d2h (n)) 2 present on the input side are fuzzy in block 13 according to FIG the corresponding input variables K d i h (n))... K d2h (n) have been formed, evaluated, and there are fuzzyfied intermediate signals MF1 (x) (n) to
  • MF10 (x) (n) is formed, from which in block 53 a fuzzyfied result signal MF ou ti (x) (n) is formed.
  • MF ou ti (x) (n) is formed.
  • FIG. 6 shows by way of example a block diagram for the operation of the second result path EP2 according to FIG. 1.
  • the fuzzy membership functions L (Di d (n)) to H (Di d (n)) applied on the input side, which have been previously formed in block 13 according to FIG. 1, are evaluated in blocks 61 and 62, and fuzzy-detected intermediate signals MF11 are produced (x) (n) to MF16 (x) (n) formed, from which in block 63 for the two ⁇ ten result path EP2 a fuzzyfizêts result signal
  • MF ou t2 (x) (n) is formed.
  • defuzzification and smoldering ⁇ lenwert tone can be from the fuzzified earnings signal MF ou t2 (x) (n) form the logical binary signal C02 'of the second result path EP2 according to FIG.
  • FIG. 7 shows by way of example a block diagram for the operation of the third result path EP3 according to FIG. 1.
  • fuzzy membership functions L (D2 d (n)) to ⁇ ⁇ (0 2 ( ⁇ ( ⁇ )), which were previously formed in block 13 according to FIG. 1, are evaluated in block 71, and fuzzy-detected intermediate signals are produced MF17 (x) (n) to
  • MF18 (x) (n) is formed, from which in block 72 for the third result path EP3 according to Figure 1, a fuzzyfizierts result ⁇ signal MF ou t 3 (x) (n) is formed.
  • the logical binary signal C03 'of the third result path EP3 according to FIG. 1 can be formed from the fuzzy-detected result signal MF ou t3 (x) (n).
  • FIG. 8 shows, by way of example, the defuzzification of the fuzzyfied result signals MF ou ti (x) (n) to MF ou t3 (x) (n) formed by the result paths EP1, EP2 and EP3. It can be seen that with the aid of comparators 81, the logical binary signals COl 'to C03' are formed, with which the error signal ST is formed using an OR operation 82.
  • the used criteria signals are preferably calculated directly from the differential currents.
  • the following criteria signals are preferably used:
  • FIR filters preferably Fourier filters
  • the measurement algorithm for determining the DC components starts when a fault is detected. Determining a Stö ⁇ tion, for example, on a comparison of the actual current samples occur at the terminals of the transformer with respective current samples, the N samples have been acquired earlier.
  • the variable N indicates the window length in the form of a number of samples.
  • the DC component may be by means of a calculation algorithm ⁇ net, which is based on a mean value of the current over a full cycle, and thus corresponds to a signal filtering with a filter Walsch zero order. Accordingly, the averaged signal is a linear combination of aktuel ⁇ len samples of the differential current I d and coefficients of the rectangular window filter (see Figure 2, block 22).: where I d is the differential current. In the next step, the coefficient that carries the information about the time constant of the DC component is calculated:
  • the values of the DC component at successive times can be calculated in two ways to score ⁇ .
  • the first Me ⁇ Thode based on the calculation of the current value of the DC component, the current values of the measured time constants and initial values of the DC component are used:
  • the second method is based on the current values of the time constant and an initial value for the DC component
  • n 0 at the beginning of the estimation.
  • FIG. 3 shows an example
  • the detection of the unsaturation interval is performed (see block 32 in FIG.
  • the difference current (see FIG. 4, section a) is observed within the data window which is composed of 3/2 N samples (see FIG. 4, section b), where N is the number is the window in a cycle of the fundamental.
  • N + 2 sum of N / 2-1 consecutive samples of the observed signal is calculated as follows:
  • the acquired local windows are called original sample sequences i or gi and i or g2. Additionally defined to protect the algorithm from unwanted errors, the local window is considered only if the absolute value of the difference between the minimum value and the maximum value in the detected local window is greater than 2% of the rated transformer current:
  • the first condition protects the algorithm formation against the Verwer ⁇ processing a signal having only a low proportion of usable home.
  • the second condition helps avoid a situation where an almost linear waveform is detected. This is possible if occurs while turning the transfor ⁇ mators current transformer saturation. The value of the Störkoef ⁇ efficient can be reduced.
  • Equation 24 The model according to Equation 24 is used to improve the error detection at ⁇ turn-to-turn faults with small current and as a result of the approximation appr1 to the sampling sequence obtained as follows i: where H 1 is a coefficient matrix of the signal model used according to Equation 24 and
  • Equation 25 The second model according to Equation 25 is used to support the processing of the proposed algorithm in the case of to accelerate the error with high and long-lasting DC components in the differential current and, as a result of the approximation, obtain the sampling sequence i a ppr2 as follows: wherein H2 is a coefficient matrix of the Signalmo ⁇ dells used according to equation 25 and applies:
  • the disturbance coefficients are calculated as follows (see block 34 in Figure 3):
  • the measured criteria signals are fuzzy- fied.
  • the criteria signals input signals of the fuzzification block
  • the criteria signals are converted into logic signals ⁇ L , ⁇ M and ⁇ ⁇ (output signals of the fuzzy-fication block, here called fuzzy membership functions). So the fuzzification is all currently gemes ⁇ Senen criteria signals onto a suitable fuzzy set. This can be formalized in the following way:
  • K in describes a value of the maximum expected inrush ⁇ current, which relates to the rated current of the protected transformer transformer.
  • the fuzzy evaluation determines the fuzzy intermediate signals MFout1 (x) (n) to MF out3 (x) (n), whereby the predetermined fuzzy rules and the fuzzy membership functions ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ are used.
  • a Max product method can be used. the. The interference process takes place in three parallel resulting ⁇ nispfaden:
  • Result path EP1 ensures maximum safety.
  • the interference process as it is performed as a result of path 1 by ⁇ is exemplarily shown in FIG. 5
  • the result EP2 path according to Figure 1 improves the identifi cation of low current ⁇ Windungsconsn.
  • the Interferenzpro- process, as it is reali ⁇ Siert in the outcome path EP 2 according to Figure 1 is, in more detail by way of example shown in FIG. 6
  • the result path EP3 according to FIG. 1 is responsible for the speed increase during operation with an internal fault (with current transformer saturation usually occurring).
  • the interference process, as implemented in the third result path according to FIG. 1, is shown in more detail in FIG.
  • the final fuzzy result signals MF out (x) (n) are converted to "fresh” (current) values CO (n).
  • a "center-of-area” can method uses ⁇ to as block 80 in Figure 8 it performs.
  • the value of the thresholds can be changed, with 7.5 being considered the optimum value. If the value is increased, a higher level of security can be achieved; if the value is reduced, system stability is improved.
  • Figures 9 and 10 show an example of the operation of the arrangement according to figure 1.
  • the work result of the method is compared in accordance with Figure 1 with tra ⁇ tional methods that evaluate the second harmonic wave and threshold values of 10 and 20% heranzie ⁇ hen.
  • FIG. 9 shows the switching on of a transformer with a saturation effect: the time values of the differential current i d are known for all three phases, the ratio of the second harmonic wave I d 2h to the fundamental wave I d i h / the fresh intermediate value COi (n) , the result signal ST (SdT) for the differential protection with traditional stabilization and the result signal ST (new) of the differential protection according to the method according to FIGS. 1 to 8. It can be seen in FIG. 9 that the waveform of the differential currents is very similar are among those that occur in the event of an internal error. Because of this, the second harmonic content is very small and falls for some time under a given threshold level (eg "0").
  • a threshold level eg "0"
  • FIG. 10 shows the corresponding signal curve in the case of an internal winding fault of the transformer.
  • the signals were observed during power up with an internal Win ⁇ tion error and are shown with a time resolution of 100 ms. Since the winding error affects only a single turn of the transformer, its influence on the differential current i d is almost not recognizable. With traditional 1-based signal evaluation based on the second harmonic, the differential protection will fail.
  • the algorithm illustrated in connection with FIGS. 1 to 8 correctly recognizes the internal error due to the deformation coefficient (interference coefficient) D ld .
  • the intermediate decision signal C02 (n) exceeds its smoldering ⁇ lenwert of 7.5 ms 84 after fault inception so that the Trans ⁇ formator is turned off (see FIG. Decision signal ST (new) in Figure 10).
  • the multi-criteria fuzzy logic method according to Figures 1 to 8 has a number of advantages over traditional stabilization methods, which can be summarized as follows: - High reliability (no false triggering of protection inde ⁇ dependent on the proportion of the second harmonic in differential currents)

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals (ST, STneu), das anzeigt, ob ein interner Transformatorfehler vorliegt, wobei bei dem Verfahren ein Differenzstromsignal (id), das die Differenz zwischen dem Primärstrom und - unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators - dem Sekundärstrom des Transformators angibt, ermittelt wird, mit dem Differenzstromsignal eine Mehrzahl an unterschiedlichen Kriteriensignalen (Kd1h(n), Kd2h(n), KDCoff(n), D1d(n), KDCon(n), D2d(n)) erzeugt wird, jedem Kriteriensignal jeweils mindestens zwei individuelle Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen (μL, μΗ, μM) zugeordnet werden und die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen unter Bildung des Fehlersignals (STneu) ausgewertet werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals, das anzeigt, ob ein interner Transforma¬ torfehler vorliegt oder nicht.
Beim Einschalten von Transformatoren können erhebliche Magne- tisierungsströme auftreten. Diese Magnetisierungsströme ver¬ ursachen unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators Stromdifferenzen zwischen der Primärseite des Transformators und der Sekundärseite des Transformators, so dass Schutzeinrichtungen, die dem Transformator zugeordnet sind, auslösen können, ohne dass tatsächlich ein Fehler aufgetreten ist oder dass eine Abschaltung erfolgen muss. Es stellt sich also das Problem, zwischen Einschaltvorgängen einerseits und internen Fehlern andererseits zu unterscheiden; letzteres ist umso schwieriger, wenn zusätzlich eine Strom- wandlersättigung in den zur Erfassung der Transformatorströme zugewiesenen Messwandlern auftritt.
Um eine Stabilisierung der Schutzfunktionen während des Ein- schaltens von Transformatoren zu verbessern, wird bei einem vorbekannten Differentialschutzgerät der Firma Siemens AG, das unter dem Produktnamen SIPROTEC 7UT613/63x vertrieben wird, die zweite harmonische Oberwelle des Stromes ausgewer¬ tet . In der Druckschrift "Performance analysis of traditional and improved transformer differential protective relays" (Guzmän A., Hector J. Altuve H. J., SEL Technical Papers, 2000, pp . 405-412) wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die geraden harmonischen Oberwellen des Differenzstromes, die fünf- te harmonische Oberwelle sowie der Gleichstromanteil des Dif¬ ferenzstroms ausgewertet wird, um Einschaltströme erkennen zu können . Die Druckschrift "A new method to identify inrush current based on error estimation" (He B., Zhang X., Bo Z., IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 21, No . 3, July 2006, pp . 1163-1168) beschreibt ein Verfahren zur Unterscheidung von internen Transformatorfehlern und Einschaltströmen, bei dem die aktuelle Kurvenform des Differenzstroms mit Referenz¬ wellenformen verglichen wird. Dabei werden zwei unterschiedliche Frequenzbedingungen pro Halbwelle herangezogen.
Die Druckschrift "A new principle of discrimination between inrush current and internal fault current of transformer based on seif-correction function" (Zengping W., Jing M., Yan X., Lei M., The 7th International Power Engineering Conference, Singapore, November 2005, Vol. 2, pp . 614-617) offenbart ein Korrelationsverfahren, bei dem Fehlerströme von Ein- schaltströmen unterschieden werden, indem ein Wellenform- Korrelationskoeffizient zwischen der ersten Halbwelle und der darauf folgenden Halbwelle des Differenzstromes gebildet und ausgewertet wird. Die Druckschrift "Correlation analysis of waveforms in nonsa- turation zone-based method to identify the magnetizing inrush in transformer" (Bi D. Q., Zhang X. A., Yang H. H., Yu G. W., Wang X. H., Wang W. J., IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 22, No. 3, July 2007, pp . 1380-1385) beschreibt einen Stabilisierungsalgorithmus, der auf Korrelationskoeffizienten beruht, die die Korrelation zwischen der Wellenform des Differenzstromes im ungesättigten Fall mit zwei sinusförmigen Wellenformen beschreibt. Die Druckschrift "A seif-organizing fuzzy logic based protec- tive relay - an application to power transformer protection" (IEEE Trans. Power Delivery vol. 12, No . 3, 1997, pp . 1119- 1127) offenbart ein Fuzzy-Logik-Verfahren, bei dem verschie- dene Kriteriensignale fuzzyfiziert und mit Gewichtungsfakto¬ ren versehen werden, um zwischen Einschaltströmen und Fehlerströmen unterscheiden zu können.
Die Druckschrift "Fuzzy logic-based relaying for large power transformer protection" (Myong-Chul S., Chul-Won P., Jong-
Hyung K., IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 18, No . 3, July 2003, pp . 718-724) offenbart ein weiteres fuzzy-basier- tes Differentialschutzsystem für Transformatoren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals anzugeben, das besonders zuver¬ lässig anzeigt, ob ein interner Transformatorfehler vorliegt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, bei dem ein Differenzstromsignal, das die Differenz zwischen dem Pri¬ märstrom und - unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators - dem Sekundärstrom des Trans¬ formators angibt, ermittelt wird, mit dem Differenzstromsig¬ nal eine Mehrzahl an unterschiedlichen Kriteriensignalen er- zeugt wird, jedem Kriteriensignal jeweils mindestens zwei in¬ dividuelle Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen zugeordnet werden und die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen unter Bildung des Fehlersignals ausgewertet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund der Verwendung von mindestens je¬ weils zwei individuellen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen pro Kriteriensignal sehr genau festgestellt werden kann, ob ein Transformatorfehler vorliegt oder nicht.
Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn drei Entscheidungs¬ pfade gebildet werden, denen jeweils eine oder mehrere der Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen zugewiesen werden, in jedem der drei Entscheidungspfade die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktio¬ nen jeweils unter Bildung eines logischen Binärsignals ausge¬ wertet werden, wobei jedes Binärsignal jeweils anzeigt, ob gemäß dem Prüfungsergebnis des jeweiligen Entscheidungspfades ein interner Transformatorfehler vorliegt oder nicht, und die logischen Binärsignale unter Bildung des Fehlersignals einer logischen Verknüpfung unterworfen werden.
Das Fehlersignal wird bevorzugt durch eine logische ODER- Verknüpfung der logischen Binärsignale gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens einem der Entscheidungspfade, bei¬ spielsweise einem ersten Entscheidungspfad, zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen eines Kriteriensignals zu- gewiesen werden, das sich auf das Verhältnis Kdlh = Idlh/In zwischen der Grundschwingung Idlh des Differenzstromes und dem Nennstrom In des Transformators bezieht, und das logische Bi¬ närsignal dieses Entscheidungspfads mit diesen Fuzzy-Zugehö¬ rigkeitsfunktionen gebildet wird.
Dem ersten Entscheidungspfad können darüber hinaus auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen von Kriteriensignalen zugewiesen werden, die sich auf das Verhältnis Kr2h = Id2h/Iciih der 2. Harmonischen Id2h zur Grundschwingung Idih im Differenzstrom und/oder auf das Verhältnis KDCOff = IrDcoff /Iciih der rekon¬ struierten DC-Komponente IrDcoff zur Grundschwingung Idih im Differenzstrom beziehen. Bei einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens einem der Entscheidungspfade, beispielsweise einem zweiten Entscheidungspfad, zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen eines Kriteriensignals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungskoeffi- zient Did des Differenzstromes im nichtgesättigten Zeitintervall des Differenzstromes für die Erkennung von Windungsfehlern bei kleinen Differenzströmen bezieht, und das logische Binärsignal dieses Entscheidungspfads mit diesen Fuzzy-Zuge¬ hörigkeitsfunktionen gebildet wird.
Dem zweiten Entscheidungspfad können darüber hinaus auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen von Kriteriensignalen zugewiesen werden, die sich auf das Verhältnis KDCOn = IrDcon/Iciih der berechneten DC-Komponente IrDcon zur Grundschwingung Idih im Differenzstrom und/oder auf das Verhältnis Kr2h = Id2h/Iciih der 2. Harmonischen Id2h zur Grundschwingung Idlh im Differenzstrom beziehen .
Bei einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens einem der Entscheidungspfade, beispielsweise einem dritten Entscheidungspfad, zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen eines Kriteriensignals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungskoeffi¬ zienten D2d des Differenzstromes im nicht gesättigtes Zeitin- tervall des Differenzstromes für eine schnelle Fehlererken¬ nung bei großen Differenzströmen bezieht, und das logische Binärsignal dieses Entscheidungspfads mit diesen Fuzzy-Zuge¬ hörigkeitsfunktionen gebildet wird. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass drei Entscheidungspfade gebildet werden, denen jeweils eine oder mehrere der Fuzzy-Zugehörigkeits- funktionen zugewiesen werden, wobei einem ersten Entschei- dungspfad zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen eines Kriteriensignals zugewiesen werden, das sich auf das Verhältnis Kdih zwischen der Grundschwingung Idih des Differenzstromes und dem Nennstrom In des Transformators bezieht, und für diesen ersten Entscheidungspfad ein erstes logisches Binärsignal gebildet wird, das anzeigt, ob gemäß dem Prü¬ fungsergebnis des ersten Entscheidungspfades ein interner Transformatorfehler vorliegt oder nicht, einem zweiten Entscheidungspfad zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeits- funktionen eines Kriteriensignals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungskoeffizienten Did des Differenzstromes im nichtgesättigten Zeitintervall des Differenzstromes für die Erkennung von Windungsfehlern bei kleinen Differenzströmen bezieht, und für diesen zweiten Entscheidungspfad ein zweites logisches Binärsignal gebildet wird, das anzeigt, ob gemäß dem Prüfungsergebnis des zweiten Entscheidungspfades ein in¬ terner Transformatorfehler vorliegt oder nicht, einem dritten Entscheidungspfad zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeits- funktionen eines Kriteriensignals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungskoeffizient D2d des Differenzstromes im nichtgesättigten Zeitintervall des Differenzstromes für eine schnelle Fehlererkennung bei großen Differenzströmen bezieht, und für diesen dritten Entscheidungspfad ein drittes logi¬ sches Binärsignal gebildet wird, das anzeigt, ob gemäß dem Prüfungsergebnis des dritten Entscheidungspfades ein interner Transformatorfehler vorliegt oder nicht.
Das Fehlersignal wird im letztgenannten Falle vorzugsweise durch eine logische ODER-Verknüpfung des ersten, zweiten und dritten logischen Binärsignals gebildet. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Differential¬ schutzgerät zum Schützen eines Transformators. Erfindungsge¬ mäß sind eine Recheneinrichtung und ein Speicher vorgesehen, wobei in dem Speicher ein Programm zur Steuerung der Recheneinrichtung gespeichert ist und wobei das Programm bei Aus¬ führung durch die Recheneinrichtung ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals, wie es oben beschrieben ist, durch¬ führt .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, mit der sich das erfindungsgemä ße Verfahren durchführen lässt,
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Bestimmung von Gleichstromkomponenten,
Figur 3 ein Blockschaltbild zur Berechnung der Störkoef¬ fizienten im Nichtsättigungsintervall ,
Figur 4 beispielhaft Zeitverläufe für den Differenzstrom sowie den Verformungskoeffizienten (Störkoeffizienten) Dld,
Figur 5 ein Blockschaltbild für den oberen Entscheidungs pfad der Anordnung gemäß Figur 1,
Figur 6 ein Blockschaltbild für den mittleren Entschei¬ dungspfad der Anordnung gemäß Figur 1, Figur 7 ein Blockschaltbild für den unteren Entschei¬ dungspfad der Anordnung gemäß Figur 1,
Figur 8 ein Blockschaltbild für die Auswertung der Ergeb- nisse der drei Entscheidungspfade gemäß Figur 1 näher im Detail,
Figur 9 Zeitverläufe der Signale der Anordnung gemäß
gur 1 ,
Figur 10 weitere Zeitverläufe der Signale der Anordnung gemäß Figur 1.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
Das im Folgenden näher beschriebene Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals ermöglicht ei- ne Stabilisierung des Transformatordifferentialschutzes wäh¬ rend des Auftretens magnetisierender Einschaltströme; dabei werden vorzugsweise unter anderem folgende Schritte, die wei¬ ter unten noch näher im Detail erläutert werden, durchgeführt :
- eine Erzeugung von Differentialstromsignalen unter Heranziehung der Eingangsstromsignale (vgl. Block 11 in Figur
1) ,
eine Berechnung von Kriteriensignalen aus den Differenzströmen (vgl. Block 12 in Figur 1),
die Fuzzyfizierung der Kriteriensignale (vgl. Block 13 in Figur 1 ) ,
ein Fuzzy-Bewertungsprozess, der in drei unabhängige Ent¬ scheidungspfade unterteilt ist und auf vordefinierten Re¬ geln basiert, bei denen Fuzzy-Schwellenwerte und fuzzyfi- zierte Kriteriensignale herangezogen werden (vgl. Block 14 in Figur 1 ) ,
- eine Defuzzyfizierung der finalen Fuzzy-Ergebnissignale (vgl. Block 15 in Figur 1),
- ein Schwellenwertvergleich (vgl. Blöcke 16a, 16b und 16c in Figur 1 ) , und
- eine Erzeugung eines finalen Fehlersignals (vgl. Block 17 in Figur 1 ) . In dem beispielhaften Blockschaltbild gemäß Figur 1 erkennt man einen ersten Block 11, in dem mit den Stromabtastwerten iiA(n), iiB (n) und iiC (n) auf der Primärseite des Transforma¬ tors und den Stromabtastwerten i2A(n), i2B (n) und i2c (n) auf der Sekundärseite des Transformators die korrespondierenden Differenzströme idA (n) , idB (n) und idC (n) bestimmt werden. In dem sich anschließenden Block 12 werden Kriteriensignale (Kriterienwerte) Kdlh (n) , Kd2h (n) , KDCOff (n) , Dld(n), KDCOn (n) und D2d(n) berechnet. In dem nachgeordneten Block 13 wird eine Fuzzyfizierung durchgeführt, wie weiter unten im Zusammenhang mit den Gleichungen 32 bis 49 noch näher im Detail erläutert werden wird.
Der Block 14 enthält drei Ergebnispfade EP1, EP2 und EP3, in denen jeweils alle oder einige der bereits oben genannten Kriterienwerte ausgewertet werden.
In dem nachfolgenden Block 15 werden die Ergebnisse defuzzy- fiziert und es werden defuzzyfizierte Entscheidungssignale COi (n) , C02 (n) und CO3 (n) gebildet, die jeweils einem Schwel- lenwertvergleich unterzogen werden. Der Schwellenwertvergleich wird in den Blöcken 16a, 16b und 16c durchgeführt. Durch den Schwellenwertvergleich werden aus den defuzzyfi- zierten Entscheidungssignalen COi (n) , C02 (n) und CO3 (n) logische Binärsignale COI' bis C03 ' erzeugt. Diese gelangen zu einem ODER-Gatter 17, das das Fehlersignal ST mit einer logi¬ schen "1" bildet, wenn auf einen internen Transformatorfehler geschlossen wird, und eine logische "0" bildet, wenn kein in¬ terner Transformatorfehler detektiert wird.
Die Figur 2 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild zur Be¬ stimmung der DC-Komponenten . In einem Block 21 wird zunächst festgestellt, ob eine "Störung" aufgetreten ist, wobei zu diesem Zeitpunkt noch offen bleibt, ob lediglich ein Ein- schaltvorgang vorliegt oder ein interner Fehler. Hierzu werden die Differenzstromwerte id(n) ausgewertet. Beispielsweise wird auf eine "Störung" geschlossen, wenn die Differenzstromwerte id(n) betragsmäßig eine vorgegebene Schwelle über¬ schreiten .
Anschließend wird in einem Block 22 der Wert für eine Variab¬ le r bestimmt. In einem nachgeordneten Block 23 werden die Werte Tn(n) und IdDco (n) bestimmt. Die entsprechenden Werte gelangen zu einem Auswertblock 24, in dem die Variable
IciDcon (n) berechnet wird. Außerdem gelangen die Werte zu einem Entscheidungsglied 25, in dem geprüft wird, ob der jeweilige Abtastwert n kleiner ist als die Fensterlänge N+l. Ist dies der Fall, so werden in einem Block 26 die Werte für die Variable IdDCOff (n) berechnet. Ergibt die Auswertung im Block 25, dass die Vergleichsbedingung n < N+l nicht erfüllt ist, so wird die Variable IdDCOff (n) in einem Block 27 berechnet.
Die Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Berechnung der Störkoeffizienten im Nichtsättigungsintervall . In einem Block 31 wird zunächst die Richtung (bzw. das Vorzeichen) der DC-
Komponente bestimmt. In einem nachfolgenden Block 32 wird das Intervall für die NichtSättigung ermittelt. In einem nachge¬ ordneten Block 33 werden die aufgenommenen Abtastwerte approximiert, und es werden Variablen iaPri und iapr2 bestimmt. Der nachgeordnete Block 34 dient dazu, die Störkoeffizienten im Nichtsättigungsintervall zu ermitteln. Die Verformungskoeffi¬ zienten (Störkoeffizienten) sind in der Figur 3 mit Did und D2ci bezeichnet.
Die Figur 4 zeigt die Extraktion der Messergebnisse im Nicht¬ sättigungsintervall unter Berücksichtigung des Signalmodells nach Gleichung 33 (siehe unten) . In der Figur 5 ist die Arbeitsweise des ersten Ergebnispfades EP1 gemäß Figur 1 beispielhaft näher erläutert. In Blöcken 51 und 52 werden die eingangsseitig anliegenden Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen (fuzzyfizierte Zugehörigkeitsfunktionen) L( dih(n)) ... μΗ (Kd2h (n) ) 2, die zuvor in Block 13 gemäß Figur 1 durch Fuzzyfizierung aus den korrespondierenden Eingangsvariablen Kdih (n) ) ... Kd2h (n) gebildet worden sind, ausgewertet, und es werden fuzzyfizierte Zwischensignale MF1 (x) (n) bis
MF10 (x) (n) gebildet, aus denen in Block 53 ein fuzzyfiziertes Ergebnissignal MFouti (x) (n) gebildet wird. Durch Defuzzyfizie- rung und Schwellenwertvergleich lässt sich aus dem fuzzyfi- zierten Entscheidungssignal MFoutl (x) (n) das logische Binär¬ signal COl ' des Ergebnispfades EP1 gemäß Figur 1 bilden.
Die Figur 6 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild für die Arbeitsweise des zweiten Ergebnispfades EP2 gemäß Figur 1.
Die eingangsseitig anliegenden Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen L(Did(n)) bis H(Did(n)), die zuvor in Block 13 gemäß Figur 1 gebildet worden sind, werden in Blöcken 61 und 62 ausgewertet, und es werden fuzzyfizierte Zwischensignale MF11 (x) (n) bis MF16(x) (n) gebildet, aus denen in Block 63 für den zwei¬ ten Ergebnispfad EP2 ein fuzzyfiziertes Ergebnissignal
MFout2 (x) (n) gebildet wird. Durch Defuzzyfizierung und Schwel¬ lenwertvergleich lässt sich aus dem fuzzyfizierten Ergebnis- signal MFout2 (x) (n) das logische Binärsignal C02 ' des zweiten Ergebnispfades EP2 gemäß Figur 1 bilden.
Die Figur 7 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild für die Arbeitsweise des dritten Ergebnispfades EP3 gemäß Figur 1.
Die eingangsseitig anliegenden Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen L(D2d(n)) bis μΗ(02(ι(η)), die zuvor in Block 13 gemäß Figur 1 gebildet worden sind, werden in Block 71 ausgewertet, und es werden fuzzyfizierte Zwischensignale MF17 (x) (n) bis
MF18 (x) (n) gebildet, aus denen in Block 72 für den dritten Ergebnispfad EP3 gemäß Figur 1 ein fuzzyfiziertes Ergebnis¬ signal MFout3 (x) (n) gebildet wird. Durch Defuzzyfizierung und Schwellenwertvergleich lässt sich aus dem fuzzyfizierten Ergebnissignal MFout3 (x) (n) das logische Binärsignal C03 ' des dritten Ergebnispfades EP3 gemäß Figur 1 bilden.
Die Figur 8 zeigt beispielhaft die Defuzzyfizierung der von den Ergebnispfaden EP1, EP2 und EP3 gebildeten fuzzyfizierten Ergebnissignalen MFouti (x) (n) bis MFout3 (x) (n) . Man erkennt, dass mit Hilfe von Komparatoren 81 die logischen Binärsignale COl ' bis C03 ' gebildet werden, mit denen unter Verwendung einer ODER-Verknüpfung 82 das Fehlersignal ST gebildet wird.
Zu der Arbeitsweise der Anordnung gemäß Figur 1 im Einzelnen:
Berechnung der Kriteriensignale:
Die verwendeten Kriteriensignale werden vorzugsweise direkt von den Differentialströmen berechnet. Um eine besonders zuverlässige Arbeitsweise des Stabilisierungsalgorithmus zu er- möglichen, werden vorzugsweise die folgenden Kriteriensignale herangezogen :
- das Verhältnis Kdih der Grundschwingung Idih zum Nennstrom In des Transformators (Kdih= Idih /In), - das Verhältnis Kr2h der zweiten Harmonischen Id2h zur Grund¬ schwingung Idih im Differenzstrom (Kr2h = Id2h /Idih),
- das Verhältnis KdCOff der rekonstruierten DC-Komponente
Ircicoff zur Grundschwingung Idih im Differenzstrom (KDCOff = J-rDCoff /I
- das Verhältnis der DC-Komponente, die online auf der Basis von Ircicon und der Grundschwingung Idih des Differenzstromes berechnet wird (KDCOn = IrDcon /Idih),
- der Verformungskoeffizient (Störkoeffi zient) Did im nicht— gesättigten Zeitintervall (nachfolgend kurz "Nichtsätti- gungsintervall " genannt) des Differenzstromes bei kleinen Differenzströmen und
- der Verformungskoeffizient (Störkoeffizient) D2d des Diffe¬ rentialstromes im Nichtsättigungsintervall bei großen Dif- ferenzströmen .
Grundschwingung (Grundwelle) Idih und zweite harmonische Ober¬ welle Id2h im Differentialstrom:
Zum Herausfiltern der 50/100 Hz Komponenten werden vorzugs- weise FIR-Filter (vorzugsweise Fourier-Filter) eingesetzt, mit denen die orthogonalen Komponenten bestimmt werden, die zum Berechnen der Größen der Grundschwingung und der zweiten Harmonischen des Differenzstromes herangezogen werden. DC-Komponenten im Differentialstrom IdDC:
Der Messalgorithmus zum Bestimmen der DC-Komponenten startet, wenn eine Störung festgestellt wird. Das Bestimmen einer Stö¬ rung kann beispielsweise auf einem Vergleich der aktuellen Stromabtastwerte an den Anschlüssen des Transformators mit entsprechenden Stromabtastwerten, die N-Abtastwerte früher erfasst worden sind, erfolgen. Die Variable N gibt dabei die Fensterlänge in Form einer Anzahl von Abtastwerten an. Die DC-Komponenten können mit Hilfe eines Algorithmus berech¬ net werden, der auf einer Mittelwertbildung des Stromes über einem vollen Zyklus basiert und somit einer Signalfilterung mit einem Walsch-Filter Nullter Ordnung entspricht. Demgemäß ist das gemittelte Signal eine Linearkombination von aktuel¬ len Abtastwerten des Differentialstromes Id und Koeffizienten des Rechteckfilterfensters (vgl. Figur 2, Block 22):
Figure imgf000016_0001
wobei Id der Differentialstrom ist. Im nächsten Schritt wird der Koeffizient, der die Information über die Zeitkonstante der DC-Komponente trägt, berechnet:
Figure imgf000016_0003
Sobald der Koeffizient r bekannt ist, ist es möglich, den Wert für die Zeitkonstante zu berechnen (vgl. Figur 2, Block 23) :
Figure imgf000016_0004
wobei Ts die Abtastperiode bezeichnet. Der Startwert für die DC-Komponente wird wie folgt berechnet (vgl. Figur 2, Block 23) :
Figure imgf000016_0002
Die Werte der DC-Komponente zu aufeinander folgenden Zeit¬ punkten können auf zwei Arten berechnet werden. Die erste Me¬ thode basiert auf der Berechnung des aktuellen Wertes der DC- Komponente, wobei die aktuellen Werte der gemessenen Zeitkon- stanten und Anfangswerte der DC-Komponente verwendet werden:
Figure imgf000017_0002
Das zweite Verfahren basiert auf den aktuellen Werten der Zeitkonstante und einem Anfangswert für die DC-Komponente
(entsprechend Gleichung 9) nur bis die ersten potentiell kor¬ rekten Schätzungen für den Startwert der DC-Komponente und der Zeitkonstanten bekannt sind. Von diesem Moment an werden die nachfolgenden Werte für die DC-Komponente rekonstruiert unter Heranziehung der ersten korrekten Werte der DC-Komponente und der Zeitkonstanten, die sich wie folgt ausdrücken lässt :
Figure imgf000017_0001
wobei n zu Beginn der Schätzung = 0 ist.
Verformungskoeffizienten (Störkoeffizienten) der Differenti¬ alströme Dia und D2d im Nichtsättigungsintervall :
Pas Blockschema gemäß Figur 3 zeigt beispielhaft einen
Schätzalgorithmus zur Bestimmung der Störkoeffizienten im Nichtsättigungsintervall. Pie Berechnung der Störkoeffizien¬ ten wird in vier Schritten durchgeführt. In einem ersten Schritt (Block 31) wird die Richtung bzw. die Polarität der PC-Komponente erhalten und es werden zwei zusätzliche Fakto¬ ren PCZi und PCZ2 bestimmt. Bezüglich des Verformungskoeffi- zienten (Störkoeffizienten) Did der zur Identifizierung von internen Niedrigstromfehlern herangezogen wird, wird die DC- Komponente direkt offline berechnet. Wenn die Variable IdDcoff positiv ist, wird der Faktor DCZi = 1, andernfalls wird er = -1. Bezüglich des Störkoeffizienten D2d, der zur Ge¬ schwindigkeitserhöhung herangezogen wird, wird eine andere Herangehensweise eingesetzt:
Wenn
Figure imgf000018_0001
dann
Figure imgf000018_0002
und wenn
Figure imgf000018_0003
dann
Figure imgf000018_0004
wobei Kp ein vorgegebener Koeffizient ist
Im nächsten Schritt wird das Erfassen des Nichtsättigungsin- tervalls durchgeführt (vgl. Block 32 in Figur 3) . Zum Erfas- sen der lokalen Abtastsequenz der Nichtsättigungszeitspanne wird der Differenzstrom (vgl. Figur 4, Abschnitt a) innerhalb des Datenfensters, das aus 3/2 N-Abtastwerten zusammengesetzt ist (vgl. Figur 4, Abschnitt b) , beobachtet, wobei N die An- zahl der Fenster in einem Zyklus der Grundschwingung ist.
Entlang eines solchen Datenfensters wird ein weiteres lokales Fenster, das aus N/2-1 Abtastwerten besteht, in einer Sequenz beginnend von dem Hauptbeobachtungsfenster bewegt. In diesem Fenster wird die N+2 Summe von N/2-1 aufeinander folgenden Abtastwerten des beobachteten Signals wie folgt berechnet:
Figure imgf000019_0002
Wenn der Faktor DCZi,2 = 1 ist, dann wird das lokale Fenster mit der Minimumsumme, die entsprechend Gleichung 24 berechnet ist, gewählt, wie dies Figur 4 in Abschnitt c) zeigt. Andern¬ falls, wenn also der Faktor DCZi,2 = ~1 ist, wird das lokale Fenster mit der Maximalsumme gewählt. Die erfassten lokalen Fenster werden als Originalabtastsequenzen iorgi und iorg2. Zu- sätzlich definiert, um den Algorithmus vor ungewünschten Fehlern zu schützen, wird das lokale Fenster nur dann berücksichtigt, wenn der absolute Wert der Differenz zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert in dem erfassten lokalen Fenster größer als 2 % des Transformatornennstromes ist:
Wenn
Figure imgf000019_0001
dann
Figure imgf000020_0004
wobei DX ein vorgegebener konstanter Wert ist.
Wenn die Abtastwerte der ersten und letzten Abtastung des er- fassten lokalen Fensters nicht gleichzeitig Mindest- und Maximalwerte sind, gilt:
Wenn
Figure imgf000020_0001
und
Figure imgf000020_0002
dann
Figure imgf000020_0005
oder wenn
Figure imgf000020_0003
und
Figure imgf000020_0006
dann
Figure imgf000021_0001
Die erste Bedingung schützt den Algorithmus gegen die Verwer¬ tung eines Signals mit nur geringem Anteil an brauchbarer In- formation. Die zweite Bedingung hilft eine Situation zu vermeiden, bei der eine fast lineare Wellenform erfasst wird. Dies ist möglich, wenn während des Einschaltens des Transfor¬ mators Stromwandlersättigung auftritt. Der Wert des Störkoef¬ fizienten kann so reduziert werden.
Im nächsten Schritt werden die Originalabtastsequenzen iorg1 und iorg2 genähert (vgl. Block 33 in Figur 3) . Die "least squares"-Näherung des Originalsignals wurde für das folgende Signalmodell herangezogen:
Figure imgf000021_0002
Das Modell gemäß Gleichung 24 wird verwendet, um die Fehler¬ erkennung bei Windung-zu-Windung-Fehlern mit kleinem Strom zu verbessern und als Ergebnis der Näherung die Abtastsequenz iappr1 wie folgt zu erhalten:
Figure imgf000021_0003
wobei H1 eine Koeffizientenmatrix des verwendeten Signalmodells gemäß Gleichung 24 ist und
Figure imgf000021_0004
Das zweite Modell gemäß Gleichung 25 wird herangezogen, um die Bearbeitung des vorgeschlagenen Algorithmus im Falle in- terner Fehler mit hohen und lang andauernden DC-Komponenten im Differentialstrom zu beschleunigen und als Ergebnis der Näherung die Abtastsequenz iappr2 wie folgt zu erhalten:
Figure imgf000022_0002
wobei H2 eine Koeffizientenmatrix des verwendeten Signalmo¬ dells gemäß Gleichung 25 ist und gilt:
Figure imgf000022_0003
In der letzten Phase, in der Signale von dem Schätzprozess erhalten werden, werden die Störkoeffizienten wie folgt berechnet (vgl. Block 34 in Figur 3) :
Figure imgf000022_0001
Je geringer der Störkoeffizient ist, umso wahrscheinlicher ist die Hypothese eines internen Fehlers. Wenn das erfasste Fragment des Differentialstromes identisch zu seiner Näherung ist, dann ist der Störkoeffizient gleich 0 und es kann ange¬ nommen werden, dass zweifelsfrei ein interner Fehler aufge- treten ist. In Abschnitt d) der Figur 4 ist der Verlauf des Störkoeffizienten im Nichtsättigungsintervall , wie er gemäß Gleichung 30 berechnet ist, während des Einschaltens eines gesunden Transformators mit Stromwandlersättigung gezeigt. Es ist dargestellt, dass der Verformungskoeffizient (Störkoeffi¬ zient) D1d nicht den Wert 0 erreicht (sein Wert überschreitet 1 während der gesamten Simulation) , was die Annahme eines Einschaltvorganges des Transformators stützt.
Fuzzyfizierung der Kriteriensignale:
In diesem Block werden die gemessenen Kriteriensignale fuzzy- fiziert. Als Ergebnis des Fuzzyfizierungsprozesses werden die Kriteriensignale (Eingangssignale des Fuzzyfizierungsblocks) in Logiksignale μL, μM und μΗ (Ausgangssignale des Fuzzyfizie- rungsblocks, hier Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen genannt) umgewandelt. Die Fuzzyfizierung bildet also alle aktuell gemes¬ senen Kriteriensignale auf ein geeignetes Fuzzy-Set ab. Dies kann in folgender Weise formalisiert werden:
Fuzzyfizierung des Kriterienwertes Kd1h :
Figure imgf000023_0001
wobei gelten kann:
Figure imgf000024_0003
Kin beschreibt einen Wert des maximal erwarteten Einschalt¬ stromes, der sich auf den Nennstrom des geschützten Transfor mators bezieht.
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts Kd2h :
Figure imgf000024_0001
wobei gelten kann:
FI2L1 = 0.05; FI2L2 = 0.1
FI2H1 = 0.05; FI2H2 = 0.1.
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000025_0001
wobei gelten kann
FI3L1 = 0.5; FI3L2 = 0.55
FI3H1 = 0.5; FI3H2 = 0.55
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts Kd2h
Figure imgf000025_0002
wobei gelten kann
FI4LI = 0.37; FIAL2
FI4Hl = 0.37; FIAH2
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts D 1d
Figure imgf000025_0003
Figure imgf000026_0001
wobei gelten kann
FI5L1 FI5L2 1.0
FI5Ml FI5M2 1.0; FI5M3 3.0; FI5M4=3.5 FI5Hl FI5H2 3.5
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts Kd2h
Figure imgf000026_0002
wobei gelten kann
FI6L1 = 0.4; FI6L2 = 0.5
FI6H1 = 0.4; FI6H2 = 0.5
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts K DCon ·
Figure imgf000027_0001
wobei gelten kann
FI7L1 = 0.55; FI7L2 = 0.6
FI7H1 = 0.55; FI7H2 = 0.6
Fuzzyfizierung des Kriterienwerts D2d-
Figure imgf000027_0002
wobei gelten kann
FI8L1 = 0.15; FI8L2 = 0.2
FI8H1 = 0.15; FI8H2 = 0.2
Fuzzy-Auswertungsprozess :
Die Fuzzy-Auswertung bestimmt die Fuzzy-Zwischensignale MFout1 (x) (n) bis MFout3 (x) (n) , wobei die vorgegebenen Fuzzy- Regeln und die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen μΗ und μΜ verwendet werden. Um einen Interferenzprozess zu ermöglichen kann beispielsweise ein Max-Produkt-Verfahren verwendet wer- den. Der Interferenzprozess läuft in drei parallelen Ergeb¬ nispfaden ab:
Ergebnispfad EPl gemäß Figur 1 gewährleistet maximale Sicher- heit. Der Interferenzprozess , wie er im Ergebnispfad 1 durch¬ geführt wird, ist beispielhaft in der Figur 5 gezeigt.
Der Ergebnispfad EP2 gemäß Figur 1 verbessert die Identifi¬ zierung von Niedrigstrom-Windungsfehlern. Der Interferenzpro- zess, wie er in dem Ergebnispfad EP 2 gemäß Figur 1 reali¬ siert ist, ist näher beispielhaft in der Figur 6 gezeigt.
Der Ergebnispfad EP3 gemäß Figur 1 ist verantwortlich für die Geschwindigkeitserhöhung während eines Betriebs mit internem Fehler (wobei meist Stromwandlersättigung auftritt) . Der Interferenzprozess , wie er in dem dritten Ergebnispfad gemäß Figur 1 realisiert ist, ist näher in der Figur 7 gezeigt.
Defuzzyfizierung der finalen Fuzzy-Ergebnissignale :
Als Ergebnis der Defuzzyfizierung werden die finalen fuzzyfi- zierten Ergebnissignale MFout (x) (n) in "frische" (aktuelle) Werte CO(n) konvertiert. Für die Defuzzyfizierung kann beispielsweise eine "Zentrum-des-Gebiets"-Methode verwendet wer¬ den, wie Block 80 in Figur 8 sie durchführt.
Bestimmung der Zwischenindikatoren für den Transformatorzu¬ stand :
Am Ausgang des Fuzzy-Systems erhält man drei frische (aktuel¬ le) Werte Cd (n) , C02 (n) und C03 (n) (vgl. Figur 8). Der Ort dieses Werts in der Domäne des endgültigen Ausgangsfuzzysets bestimmt den Zustand der Schutzoperation . Diese Werte werden dann verglichen mit ausgewählten Schwellwerten, die beispielsweise 7,5 betragen können (vgl. Figur 8, Block 81) . Wenn der Schwellenwert überschritten wird, wird ein Auslöse¬ signal erzeugt.
Der Wert der Schwellenwerte kann verändert werden, wobei 7,5 als optimaler Wert angesehen wird. Wird der Wert erhöht, so kann eine höhere Sicherheit erreicht werden, wird der Wert reduziert, so verbessert sich die Systemstabilität.
Bildung des finalen Fehlersignals ST:
Die Ergebnisse des Vergleichs, wie er in Block 81 gemäß Figur 8 durchgeführt wurde, werden zusammengeführt, wobei ein ODER- Logikelement 82 herangezogen wird, dass die endgültige Ent¬ scheidung in Form des Fehlersignals ST generiert. Beispielhafte Signalverläufe:
Die Figuren 9 und 10 zeigen beispielhaft die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Figur 1. In beiden Figuren 9 und 10 wird dabei das Arbeitsergebnis des Verfahrens gemäß Figur 1 mit tra¬ ditionellen Verfahren verglichen, die die zweite harmonische Welle auswerten und Schwellenwerte von 10 und 20 % heranzie¬ hen .
Die Figur 9 zeigt das Einschalten eines Transformators mit einem Sättigungseffekt: Man erkennt die Zeitwerte des Diffe- rentialstromes id für alle drei Phasen, das Verhältnis der zweiten harmonischen Oberwelle Id2h zur Grundwelle Idih/ den frischen Zwischenwert COi (n) , das Ergebnissignal ST(SdT) für den Differenzschutz mit traditioneller Stabilisierung und das Ergebnissignal ST (neu) des Differentialschutzes nach dem Ver- fahren gemäß den Figuren 1 bis 8. Es lässt sich in der Figur 9 erkennen, dass die Wellenform der Differenzströme sehr ähnlich sind zu denen, die im Falle eines internen Fehlers auftreten. Aufgrund dessen ist der Anteil der zweiten Harmonischen sehr gering und fällt für einige Zeit unter ein vor- gegebenes Schwellwertniveau (z. B. "0") . In einem solchen Falle versagt die traditionelle Stabilisierung vollständig, unabhängig von Schwellwerten, und der Transformator würde ausgeschaltet werden (vgl. Ergebnissignal ST(SdT) in Fi- gur 9) . Wenn hingegen das Stabilisierungsverfahren gemäß den Figuren 1 bis 8 herangezogen wird, so lässt sich in der Figur 9 erkennen, dass der Zwischensignalwert COi (n) den Wert von 7,5 nicht überschreitet, was eine zuverlässige Stabili¬ sierung in dieser Situation garantiert (vgl. Signalverlauf ST (neu) in Figur 9) und ein Erzeugen eines Fehlersignals mit einer logischen "1" verhindert.
Die Figur 10 zeigt den entsprechenden Signalverlauf im Falle eines internen Windungsfehlers des Transformators. Die Signa- le wurden während des Einschaltens mit einem internen Win¬ dungsfehler beobachtet und sind mit einer Zeitauflösung von 100 ms dargestellt. Da der Windungsfehler nur eine einzelne Windung des Transformators betrifft, ist dessen Einfluss auf den Differenzstrom id fast nicht erkennbar. Bei traditionel- 1er Signalauswertung auf der Basis der zweiten Harmonischen wird der Differentialschutz versagen.
Der im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 8 dargestellte Algorithmus erkennt jedoch den internen Fehler aufgrund des Verformungskoeffizienten (Störkoeffizienten) Dld korrekt. Das Zwischenentscheidungssignal C02 (n) übertrifft seinen Schwel¬ lenwert von 7,5 84 ms nach Fehlereintritt, so dass der Trans¬ formator ausgeschaltet wird (vgl. Entscheidungssignal ST (neu) in Figur 10).
Zusammengefasst weist das Multikriterium-Fuzzylogik-Verfahren gemäß den Figuren 1 bis 8 eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen Stabilisierungsverfahren auf, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: - hohe Sicherheit (keine falsche Auslösung des Schutzes unab¬ hängig von dem Anteil der zweiten Harmonischen in Differenzströmen) ,
- Unabhängigkeit von Stromwandlersättigung während des magne- tisierenden Einschaltstromes des Transformators,
- kürzere Fehlererkennungszeit im Falle von internen Hoch¬ stromfehlern und
- höhere Sensibilität im Falle von internen Niederstromfehlern (z. B. im Falle von Windungsfehlern, die nur eine Windung des Transformators betreffen) .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Fehlersignals (ST, STneu) , das anzeigt, ob ein interner Transformatorfehler vorliegt, wobei bei dem Verfahren
- ein Differenzstromsignal (id) , das die Differenz zwischen dem Primärstrom und - unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators - dem Sekundärstrom des Transformators angibt, ermittelt wird,
- mit dem Differenzstromsignal eine Mehrzahl an unterschied¬ lichen Kriteriensignalen (Kdlh(n), Kd2h(n), KDCOff(n), Dld(n), KDCOn(n), D2d(n)) erzeugt wird,
- jedem Kriteriensignal jeweils mindestens zwei individuelle Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen (yL, μΗ, PM) zugeordnet wer- den und
- die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen unter Bildung des Fehlersignals (STneu) ausgewertet werden.
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
- mindestens drei Ergebnispfade (EP1-EP3) gebildet werden, denen jeweils eine oder mehrere der Fuzzy-Zugehörigkeits- funktionen (pL, μΗ, PM) zugewiesen werden,
- in jedem der drei Ergebnispfade (EP1-EP3) die Fuzzy-Zuge- hörigkeitsfunktionen (pL, μΗ, PM) jeweils unter Bildung ei¬ nes logischen Binärsignals (COl ' , C02 ' , C03 ' ) ausgewertet werden, wobei jedes Binärsignal jeweils anzeigt, ob gemäß dem Prüfungsergebnis des jeweiligen Entscheidungspfades ein interner Transformatorfehler vorliegt oder nicht, und
- die logischen Binärsignale unter Bildung des Fehlersignals einer logischen Verknüpfung (83) unterworfen 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 das Fehlersignal (ST, STneu) durch eine logische ODER-Ver- knüpfung der logischen Binärsignale (COl ' , C02 ' , C03 ' ) gebil¬ det wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- mindestens einem der Ergebnispfade (EP1) zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen (yL, μΗ, PM) eines Kriterien¬ signals (Kdih) zugewiesen werden, das sich auf das Verhält- nis zwischen der Grundschwingung (Idih) des Differenzstromes und dem Nennstrom (In) des Transformators bezieht, und
- das logische Binärsignal (COl') dieses Ergebnispfads (EP1) mit diesen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- mindestens einem der Ergebnispfade (EP2) zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen (pL, μΗ, PM) eines Kriterien¬ signals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungsko- effizient (Störkoeffizient) (Dld) des Differenzstromes im nichtgesättigten Zeitintervall des Differenzstromes bei kleinen Differenzströmen bezieht, und
- das logische Binärsignal (C02 ' ) dieses Ergebnispfads (EP2) mit diesen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- mindestens einem der Ergebnispfade (EP3) zumindest auch die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen (pL, μΗ, PM) eines Kriterien- signals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungsko¬ effizienten (D2d) des Differenzstromes im nicht gesättigten Zeitintervall des Differenzstromes für eine schnelle Feh¬ lererkennung bei großen Differenzströmen bezieht, und - das logische Binärsignal (C03') dieses Ergebnispfads (EP3) mit diesen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- mindestens drei Ergebnispfade (EP1-EP3) eingesetzt werden, denen jeweils eine oder mehrere der Fuzzy-Zugehörigkeits- funktionen zugewiesen werden,
- einem ersten Ergebnispfad (EP1) zumindest auch die Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen (yL, μΗ, PM) von Kriteriensignalen zugewiesen werden, die sich auf das Verhältnis zwischen der Grundschwingung (Idih) des Differenzstromes und dem Nenn¬ strom (In) des Transformators und/oder auf das Verhältnis (Kr2h) der 2. Harmonischen (Id2h) zur Grundschwingung (Idih) im Differenzstrom und/oder auf das Verhältnis (KDCOff) der rekonstruierten DC-Komponente (IrDcoff) zur Grundschwingung (Idih) im Differenzstrom beziehen und das logische Binärsig¬ nal (COl ' ) dieses ersten Ergebnispfads (EP1) mit diesen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gebildet wird,
- einem zweiten Entscheidungspfad zumindest auch die Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen von Kriteriensignalen zugewiesen werden, die sich auf den Verformungskoeffizient (Dld) des Differenzstromes im nichtgesättigten Zeitintervall des Dif¬ ferenzstromes bei kleinen Differenzströmen und/oder auf den Verformungskoeffizient (Dld) des Differenzstromes im nicht¬ gesättigten Zeitintervall des Differenzstromes für die Er¬ kennung von Windungsfehlern bei kleinen Differenzströmen beziehen, und das logische Binärsignal (C02 ' ) dieses zwei¬ ten Ergebnispfads (EP2) mit diesen Fuzzy-Zugehörigkeits- funktionen gebildet wird, und
- einem dritten Ergebnispfad (EP3) zumindest auch die Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen (yL, μΗ, PM) eines Kriteriensignals zugewiesen werden, das sich auf den Verformungskoeffizienten (D2d) des Differenzstromes im nicht gesättigten Zeitin- tervall des Differenzstromes für eine schnelle Fehlererken¬ nung bei großen Differenzströmen bezieht, und das logische Binärsignal (C03') dieses Ergebnispfads (EP3) mit diesen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Fehlersignal durch eine logische ODER-Verknüpfung (83) des ersten, zweiten und dritten logischen Binärsignals (COl'- C03') gebildet wird.
9 . Differentialschutzgerät zum Schützen eines Transformators, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
eine Recheneinrichtung und einen Speicher,
wobei in dem Speicher ein Programm zur Steuerung der Recheneinrichtung gespeichert ist und
das Programm bei Ausführung durch die Recheneinrichtung ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche durchführt .
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