Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von mindestens zwei redundanten Reglerkanälen einer Erregereinrichtung eines elektrischen Generators

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von mindestens zwei redundanten Reglerkanälen einer Erreger¬ einrichtung eines elektrischen Generators. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Um die Ausfallsicherheit einer technischen Einrichtung zu er¬ höhen, werden üblicherweise redundante Komponenten einge¬ setzt. Derartige redundante Komponenten bestehen üblicher- weise aus zwei oder mehreren gleichwertigen Reglerkanälen, wobei zusätzlich eine Entscheidungseinrichtung erforderlich ist, die einen störungsfrei arbeitenden oder das richtige Er¬ gebnis liefernden Reglerkanal auswählt. Dazu wird den gleich¬ wertigen, voneinander getrennt arbeitenden Reglerkanälen als Entscheidungseinrichtung ein Überwachungskanal zugeordnet, der eine Anzahl von Überwachungsfunktionen durchführt und zur Freigabe einer Stellgröße von einem auf den anderen Reglerka¬ nal umschaltet.

Der Einsatz eines Überwachungskanals ist daher prinzipiell ein Kompromiß zwischen einfacher Redundanz und einer Zwei¬ aus-drei-Auswahl bei drei redundanten Reglerkanälen. Dabei ist das Wesen eines herkömmlichen Überwachungskanals digita¬ ler Natur, d.h. aus digitalen Eingangsgrößen werden digitale Ausgangsgrößen abgeleitet, wobei der Überwachungskanal kon¬ kret die Aufgabe hat, zu entscheiden, ob der eine Reglerkanal oder der andere Reglerkanal eingeschaltet wird. Allerdings besteht das Problem, aufgrund welcher Entscheidungskriterien eine sichere Aussage darüber getroffen werden kann, welcher Reglerkanal störungsfrei arbeitet, oder ob und gegebenenfalls welcher Reglerkanal gestört ist. Insbesondere für den Fall, daß einerseits keiner der Reglerkanäle störungsfrei arbeitet,

andererseits aber lediglich Teilfunktionen der Reglerkanäle gestört sind, folgt entweder unabhängig von der Art und dem Grad der Störung eine Abschaltung jedes der Reglerkanäle oder eine unkontrollierte Regelung, was letztendlich zu einem vollständigen Versagen der Regelung führen kann.

Auch eine Auswertung von in den einzelnen Reglerkanälen auf¬ grund einer Eigenüberwachung erstellten Meldungen ermöglicht häufig keine eindeutige Aussage über die Richtigkeit der Ar- beitsweise der Reglerkanäle oder über die Plausibilität der von diesen erstellten Ergebnissen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überwa¬ chungsverfahren für redundante Reglerkanäle einer Erregerein- richtung eines elektrischen Generators, anzugeben, das eine Auswahl des am zuverlässigsten arbeitenden Reglerkanals ge¬ währleistet. Dies soll bei einer geeigneten Vorrichtung mit besonders einfachen Mitteln erreicht werden.

Bezüglich des Verfahrens,bei dem für jeden Reglerkanal ein die Zuverlässigkeit seiner Arbeitsweise charakterisierender Status bestimmt wird, und bei dem in Abhängigkeit vom Status der Reglerkanäle einer der Reglerkanäle ausgewählt wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Status- bestimmungen für die Reglerkanäle und die Auswahl eines der

Reglerkanäle mittels Fuzzy Logic erfolgt, und wobei innerhalb eines einstellbaren Schwellwertbereichs mindestens einer der Reglerkanäle ausgewählt wird.

Um in besonders zuverlässiger Weise eine mögliche Störung zu lokalisieren und/oder zu diagnostizieren, werden aus für die Erregereinrichtung charakteristischen Meßwerten jedes Regler¬ kanals Zustände gebildet, die mit die Zuverlässigkeit des Reglerkanals bestimmenden Wichtungsfaktoren versehen werden, wobei diese Zustände nach für den Betrieb der Erregereinrich¬ tung relevantem technologischem Wissen verknüpft werden, und wobei die Auswahl eines der Reglerkanäle mittels eines Ver-

gleichs der mit den Wichtungsfaktoren versehenen Zustände er¬ folgt.

Die aufgrund der erforderlichen Redundanz auch der Mittel zur Meßwerterfassung und Meßwertübertragung besonders vielfälti¬ gen Überwachungsaufgaben der redundanten Reglerkanäle der Er¬ regereinrichtung werden in dem der Fuzzy Logic zugrundelie¬ genden Regelwerk berücksichtigt, das auf der Grundlage beste¬ henden technologischen Wissens erstellt wird und beliebig er- weitert werden kann. Dabei ist, insbesondere in einem Kraft¬ werk mit allgemein bekannter Regelstrecke, die Voraussetzung erfüllt, daß die Regelung vorhersagbar arbeitet. Darüber hin¬ aus ist eine Regelung auch dann sichergestellt, wenn keiner der Reglerkanäle einwandfrei arbeitet, wobei dann stets der- jenige Reglerkanal ausgewählt wird, der den geringsten Stö¬ rungsgrad aufweist und dessen Zuverlässigkeit innerhalb des einstellbaren Schwellwertbereichs liegt.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Überwachungskanal vorgesehen ist, der mit jedem Reglerkanal verbunden ist über einen Datenbus zur Übertragung von für den Betrieb der Erregereinrichtung cha¬ rakteristischen Meßwerten, wobei der Überwachungskanal um¬ faßt: a) einen Rechnerbaustein zur Bearbeitung der Meßwerte nach

Fuzzy-Logik und zur Qualifizierung von daraus abgeleiteten Zuständen, b) einen Verknüpfungsbaustein zum Verknüpfen der qualifizier¬ ten Zustände nach Regeln aus für den Betrieb der Erreger- einrichtung relevanten technologischen Speicherwerten und zur Bestimmung eines Status der Arbeitsweise für jeden Reg¬ lerkanal, und c)einen Baustein zum Vergleichen des Status jedes Reglerka¬ nals mit einem einstellbaren Schwellwert und zur Bildung eines Signals zur Auswahl eines der Regelkanäle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 eine Überwachungsvorrichtung für zwei redundante Reg- lerkanäle einer Erregereinrichtung eines elektrischen Genera¬ tors, und

Figur 2 ein Funktionsschema der Überwachungsvorrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen mit einem dreiphasigen elektrischen Netz 2 verbundenen Generator 4 und dessen Erregereinrichtung 6. Diese ist mit einer aus zwei gleichwertigen Reglerkanälen 8a, 8b und einem Überwachungskanal 8c aufgebauten Reglereinrich¬ tung 8 verbunden. Die Erregereinrichtung 6 umfaßt ein Erre¬ gerstellglied 10, zum Beispiel einen Thyristorstromrichter, eine Erreger- oder Läuferwicklung 12 und eine Entregungs- schaltung 14. Diese dient zum Zu- oder Abschalten des die

Leistung führenden Teils oder Leistungsteils 15 des Erreger¬ stellgliedes 10 an eine bzw. von einer dreiphasigen Eigenbe¬ darfsschiene 16, die über einen Transformator 18 mit dem Netz 2 verbunden ist; dies ist durch einen geöffneten Schalter 20 angedeutet.

Die Reglerkanäle 8a, 8b sind über einen Datenbus 21 miteinan¬ der und jeweils über einen Datenbus 22a, 22b mit dem Überwa¬ chungskanal 8c verbunden. Die Reglerkanäle 8a, 8b sind weiter zur Meßwertaufnahme sowohl mit dem dreiphasigen Netz 2 als auch mit dem Leistungsteil 15 des Erregerstellgliedes 10 ver¬ bunden. Dazu ist der Regelkanal 8a über Meßleitungen 23a und 24a mit einem Spannungswandler 26a bzw. einem Stromwandler 28a verbunden, die ihrerseits mit dem Leistungsteil 15 des Erregerstellgliedes 10 verbunden sind. Ebenso ist der Regel¬ kanal 8b über Meßleitungen 23b und 24b mit einem Spannungs¬ wandler 26b bzw. einem Stromwandler 28b verbunden. Die Reg-

lerkanäle 8a und 8b sind in gleicher Weise über Meßleitungen 30a, 32a und 30b, 32b jeweils mit Spannungswandlern 34a, 34b und mit Stromwandlern 36a bzw. 36b verbunden, die ihrerseits jeweils mit einer der drei Phasen L]_, L2 und L3 des elektri- sehen Netzes 2 verbunden sind.

Die Reglerkanäle 8a, 8b sind ferner mit einer Leitwarte 38 verbunden. Von dort erfolgen Meldungen über den jeweiligen Betriebszustand eines aus dem Generator 4 und einer (nicht dargestellten) Turbine aufgebauten Turbosatzes. So erfolgt zum Beispiel eine Meldung, wenn der Turbosatz im Anfahr- oder Normalbetrieb arbeitet und/oder wenn der Generator 4 an ein Insel- oder Verbundnetz angeschlossen ist. Des weiteren er¬ folgt eine Meldung über den Zustand der Reglerkanäle 8a, 8b, das heißt, ob zum Beispiel einer der Reglerkanäle 8a oder 8b abgeschaltet ist.

An den Überwachungskanal 8c werden von den beiden Reglerkanä¬ len 8a und 8b über die Datenbusse 22a bzw. 22b für die Erre- gereinrichtung 6 charakteristische Meßwerte MW übertragen. Diese sind Ist-Werte der von den Spannungswandlern 26a, 26b erfaßten ErregerSpannung Ug und des von den Stromwandlern 28a, 28b erfaßten Erregerstroms Ig. Diese sind außerdem Ist- Werte der von den Spannungswandlern 34a, 34b erfaßten Genera- torspannungen U _u , U _v , U _w und der von den Stromwandlern 36a, 36b erfaßten Generatorströme I _u , I _v , I _w der drei Phasen ]_, L2 bzw. L3 des elektrischen Netzes 2. Der Überwachungskanal 8c empfängt diese Meßwerte MW und/oder daraus abgeleitete Kenngrößen KG bevorzugt in Form von Telegrammen. Dabei er- folgt eine Vorverarbeitung der Meßwerte MW zur Bildung der Kenngrößen KG, zum Beispiel eine Grenzwertüberwachung oder Plausibilitätskontrolle, bereits in den Reglerkanälen 8a, 8b. Die Vorverarbeitung der Meßwerte MW kann aber auch im Überwa¬ chungskanal 8c erfolgen.

Die Überwachung und Ausfallerkennung der Reglerkanäle 8a, 8b erfolgt im Überwachungskanal 8c. Dazu wird aus den Meßwerten

MW und/oder Kenngrößen KG, die für die Erregereinrichtung 6 charakteristisch sind und von den Reglerkanälen 8a, 8b gelie¬ fert werden, mittels Fuzzy-Logik und anhand von für die Erre¬ gereinrichtung 6 relevantem technologischem Wissen ein Status für die Arbeitsweise oder Funktionsfähigkeit der beiden Reg¬ lerkanäle 8a, 8b bestimmt. Ein in dem Überwachungskanal 8c in Abhängigkeit vom Status der Reglerkanäle 8a, 8b gebildetes und den Reglerkanälen 8a, 8b gemeinsames Signal S wird einer Umschaltvorrichtung 40 aufgegeben. Diese dient zum Umschalten von einem auf den anderen Reglerkanal 8a oder 8b, so daß stets mindestens einer der Reglerkanäle 8a oder 8b seine Stellgröße ST _a bzw. STb an das Erregerstellglied 10 - zum Beispiel die Zündimpulse für den Thyristorstromrichter - ab¬ gibt.

Ein Funktionsschema der Arbeitsweise des Überwachungskanals 8c zur Überwachung und Ausfallerkennung der Reglerkanäle 8a, 8b ist in Figur 2 dargestellt. Die dem Überwachungskanal 8c zugeführten Meßwerte MW und/oder Kenngrößen KG werden zu- nächst in einem Rechnerbaustein 50 mittels Fuzzy-Logik in un¬ scharfe Zustände umgewandelt. Dazu wird zum Beispiel aus den Meßwerten MW mittels geeigneter Zugehörigkeitsfunktionen, zum Beispiel mittels Dreiecksfunktionen, der Zustand "der Meßwert ist klein, der Meßwert ist mittel oder der Meßwert ist groß" gebildet. Aus dem Anteil des aktuellen Meßwerts MW an dem je¬ weiligen Zustand wird ein Wichtungsfaktor gebildet, der zur Qualifizierung der Zustände mit diesen verknüpft wird. Im folgenden sind der Zustand mit Z und der Wichtungsfaktor mit k bezeichnet.

So wird zum Beispiel der von dem Stromwandler 36a des Regler¬ kanals 8a gemessene Ist-Wert des Generatorstroms I _u mittels der Zugehörigkeitsfunktionen umgewandelt in die Zustände "I _u ist zu 20 % klein" und " I _u ist zu 80 % mittel". Die daraus abgeleiteten Wichtungsfaktoren k sind dann zum Beispiel 0,2 bzw. 0,8, so daß der Zustand Z "I _u ist klein" mit dem Faktor

0,2 und der Zustand Z "I _u ist mittel" mit dem Faktor 0,8 ver¬ knüpft sind.

Diese mit den Wichtungsfaktoren k verknüpften Zustände Z wer- den in einem Verknüpfungsbaustein 52 mit anderen, ebenfalls in dem Rechnerbaustein 50 gebildeten qualifizierten Zuständen kZ verknüpft. Diese Verknüpfung erfolgt nach für den Betrieb der Erregereinrichtung 6 relevantem technologischem Wissen, das in Form von Regeln in einer Wissensbasis 54-abgelegt ist. Die Auswertung der Wissensbasis 54 bei einer konkreten Anwen¬ dung erfolgt mittels des Rechnerbausteins 50 (Inferenzkomponente) , der die Verarbeitung des Wissens in Form von logischen Schlußfolgerungen, das heißt anhand der Regeln, steuert. Die zur Bildung der Zustände Z oder der qua- lifizierten Zustände kZ eingesetzte Fuzzy-Logik, die kontinu¬ ierliche Zwischenwerte zwischen reinen Ja/Nein-Aussagen er¬ laubt, dient dabei zur Verarbeitung unsicheren Wissens. Der zusammen mit der Wissensbasis 54 in der Art eines Expertensy¬ stems aufgebaute Verknüpfungsbaustein 52 ermöglicht auch die Verarbeitung scharfer oder numerischer Werte, die ebenfalls mittels des Rechnerbausteins 50 in die bei der Fuzzy-Logik üblichen sprachlichen Größen umgesetzt werden.

So wird zum Beispiel der Ist-Wert des Generatorstroms I _u ver- knüpft mit dem Ist-Wert der Generatorspannung U _u . Ist der in dem Rechnerbaustein 50 für die Generatorspannung U _u ermit¬ telte Zustand Z "U _u ist groß" und ist der Wichtungsfaktor k = 0,8, so ergibt eine "und"-Verknüpfung der Zustände Z "I _u ist mittel" und "U _u ist groß" den Status "Störung" für den Reg- lerkanal 8a. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit dieser Aussage oder dieses Ergebnisses ermittelt aus einer Verknüpfung der Wichtungsfaktoren k dieser Zustände Z mittels eines Opera¬ tors, zum Beispiel eines Multiplizierers. Liegt die Wahr¬ scheinlichkeit der Störung oberhalb eines Schwellwertes, so wird der Reglerkanal 8a abgeschaltet und es erfolgt - mittels der Umschaltvorrichtung 40 - eine Umschaltung auf den Regler¬ kanal 8b.

Liegt dagegen die Zuverlässigkeit des Reglerkanals 8a inner¬ halb eines Schwellwertbereichs von z.B. 60% bis 90% oder dar¬ über, und liegt die Zuverlässigkeit des anderen Reglerkanals 8b außerhalb dieses Schwellwertbereichs, so bleibt der Reg¬ lerkanal 8a in Betrieb und es erfolgt keine Umschaltung. Mit anderen Worten: Solange die Zuverlässigkeit mindestens eines der Reglerkanäle 8a oder 8b innerhalb dieses, vorzugsweise einstellbaren, Schwellwertbereichs liegt, ist ein vollständi- ges Versagen der Regelung der Erregereinrichtung 6 vermieden, auch wenn keiner der Reglerkanäle 8a bzw. 8b absolut stö- rungs- oder fehlerfrei arbeitet. Dabei wird jeweils der Reg¬ lerkanal 8a, 8b mit der höchsten Zuverlässigkeit oder dem ge¬ ringsten Störungsgrad ausgewählt. Die Schwellwertabfrage oder Schwerpunktbildung und die Erzeugung des Signals S erfolgt in einem Baustein 56.

In dem Verknüpfungsbaustein 52 werden in gleicher Weise auch aus den Meßwerten MW und/oder Kenngrößen KG der beiden redun- danten Reglerkanäle 8a, 8b in dem Baustein 50 gebildete Zu¬ stände Z verknüpft und miteinander verglichen. Aus dem Ergeb¬ nis dieses Vergleichs wird eine Aussage über die Arbeitsweise der Erregereinrichtung 6 und/oder der MeßwertÜbertragung zwi¬ schen den Wandlern 26, 28 oder den Wandlern 34, 36 und den Reglerkanälen 8a bzw. 8b abgeleitet. Liegt zum Beispiel nur in einem der Reglerkanäle 8a oder 8b eine Unsymmetrie bezüg¬ lich der Ist-Werte der Generatorspannungen U _u , U _v und U _w oder der Generatorströme I _u , I _v und I _w der drei Phasen Lι_, L2 und L3 des elektrischen Netzes 2 vor, so ist die Wahrscheinlich- keit für eine Störung in der Erregereinrichtung 6 oder im elektrischen Netz 2 gering, zum Beispiel für einen Kurzschluß im Leistungsteil 15 bzw. für einen einphasigen Kurzschluß im elektrischen Netz 2, während der die Unsymmetrie aufweisende Reglerkanal 8a bzw. 8b mit großer Wahrscheinlichkeit gestört ist. Ergibt beispielsweise die Summe der drei Ist-Werte der Generatorspannungen U _u , U _v und U _w einen Wert, der wesentlich von Null verschieden ist, so läßt dies auf einen Defekt eines

der drei Spannungswandler oder Ist-Wertgeber 34a oder 34b und damit auf einen Ausfall eines Reglerkanals 8a bzw. 8b schließen.

Durch die Verknüpfung der mittels Fuzzy-Logik aus den Meßwer¬ ten MW und/oder Kenngrößen KG gebildeten Zustände Z anhand von Regeln, die in systematischer Form in der Wissensbasis 54 abgelegt sind, ist eine zuverlässige Überwachung und Ausfall- erkennung der Reglerkanäle 8a, 8b gewährleistet. Die Zuver- lässigkeit eines dabei abgeleiteten Ergebnisses kann durch zusätzliche Verknüpfungen anhand einer Anzahl von unter¬ schiedlichen Regeln aus der Wissensbasis 54 erhöht werden. Die Wissensbasis 54 kann auch nach der Inbetriebnahme der Reglereinrichtung 8 aufgrund von Betriebserfahrungen erwei- tert werden.