Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
FAULT DETECTION IN ENERGY SUPPLY NETWORKS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/000769
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for detecting a fault in an energy supply network (10, 40), in which method state values are determined for a plurality of measuring points (M1, M2, M3) which state values specify an electrical state of the energy supply network (10, 40) at the respective measuring point (M1, M2, M3). The state values are transmitted to a control centre device (17) comprising an evaluation device (18), and the state values are used by the evaluation device (18) for detecting a fault in the energy supply network (10, 40). In order to develop a method of this type such that errors which occur, particularly in energy supply networks with low short-circuit currents, can be detected with high reliability and selectivity, according to the invention a state estimation is performed by means of the evaluation device (18), using a model description of the electrical energy supply network (10, 40) suitable for describing possible electrical states of the energy supply network (10, 40) on the basis of state variables. During the state estimation, it is examined whether an electrical state that, with regard to the state variables used for the respective measuring points (M1, M2, M3), at least approximately matches the respective state values, can be described by the model description, and if such a state is lacking, an error detection signal indicating the existence of a fault in the energy supply network (10, 40) is generated by the evaluation device (18). The invention also relates to a correspondingly designed control centre device (17).

Inventors:
JANSSEN PIERRE (BE)
MAUN JEAN-CLAUDE (BE)
Application Number:
PCT/EP2012/062314
Publication Date:
January 03, 2014
Filing Date:
June 26, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
JANSSEN PIERRE (BE)
MAUN JEAN-CLAUDE (BE)
International Classes:
H02J3/00; H02H6/00
Foreign References:
US6518768B12003-02-11
US6518768B12003-02-11
US6985784B22006-01-10
US5929642A1999-07-27
Other References:
MICHAEL HURTGEN ET AL: "Advantages of power system state estimation using Phasor Measurement Units", 16TH PSCC, 18 July 2008 (2008-07-18), XP055040448, ISBN: 978-0-94-764928-9, Retrieved from the Internet [retrieved on 20121009]
LU C N ET AL: "DISTRIBUTION SYSTEM STATE ESTIMATION", IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 10, no. 1, 1 February 1995 (1995-02-01), pages 229 - 240, XP000513239, ISSN: 0885-8950, DOI: 10.1109/59.373946
MICHAEL HURTGEN ET AL: "Measurement placement algorithms for state estimation when the number of phasor measurements by each PMU is limited", UNIVERSITIES POWER ENGINEERING CONFERENCE, 2008. UPEC 2008. 43RD INTERNATIONAL, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 1 September 2008 (2008-09-01), pages 1 - 5, XP031348950, ISBN: 978-1-4244-3294-3
A. GOMEZ EXPOSITO: "Power System State Estimation", 2004, MARCEL DEKKER
C. LU, J. TENG; W.-H. E. LIU: "Distribution system state estimation", IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, 1995, pages 229 - 240
MICHAEL HURTGEN: "Advantages of power system state estimation using Phasor Measurement Units", PROCEEDINGS OF THE POWER SYSTEMS COMPUTATION CONFERENCE, 2008
M.M. SAHA; J. IZY KOWSKI; E. ROSOLOWSKI: "Fault Location on Power Networks", 2010, SPRINGER-VERLAG
M.M. SAHA; J. IZYKOWSKI; E. ROSOLOWSKI: "Fault Location on Power Networks", 2010, SPRINGER-VERLAG
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem elektrischen Energieversorgungsnetz (10, 40), bei dem

- für mehrere Messstellen (Ml, M2, M3) in dem Energieversorgungsnetz (10, 40) Zustandswerte bestimmt werden, die einen an der jeweiligen Messstelle (Ml, M2, M3) vorliegenden elektrischen Zustand des Energieversorgungsnetzes (10, 40) ange¬ ben;

- die Zustandswerte zu einer zentralen Leitstelleneinrichtung (17) übermittelt werden, die eine Auswerteeinrichtung (18) umfasst; und

- die Zustandswerte von der Auswerteeinrichtung (18) zur Erkennung eines in dem Energieversorgungsnetz (10, 40) vorlie- genden Fehlers herangezogen werden;

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

- mittels der Auswerteeinrichtung (18) eine Zustandsschätzung ausgeführt wird, die sich einer Modellbeschreibung des elekt¬ rischen Energieversorgungsnetzes (10, 40) bedient, die zur Beschreibung möglicher elektrischer Zustände des Energieversorgungsnetzes (10, 40) anhand von Zustandsvariablen geeignet ist ;

- während der Zustandsschätzung überprüft wird, ob sich durch die Modellbeschreibung ein elektrischer Zustand des Energie- Versorgungsnetzes (10, 40) beschreiben lässt, der hinsicht¬ lich der für die jeweiligen Messstellen (Ml, M2, M3) verwendeten Zustandsvariablen zumindest näherungsweise mit den je¬ weiligen Zustandswerten übereinstimmt; und

- bei Fehlen eines solchen Zustands von der Auswerteeinrich- tung (18) ein Fehlererkennungssignal erzeugt wird, das ein

Vorliegen eines Fehlers in dem Energieversorgungsnetz (10, 40) angibt.

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

- die Zustandsschätzung mittels der Auswerteeinrichtung (18) für eine abgegrenzte Schutzzone des Energieversorgungsnetzes (10, 40) ausgeführt wird; - während der Zustandsschätzung überprüft wird, ob sich durch die Modellbeschreibung ein elektrischer Zustand der Schutzzone beschreiben lässt, der hinsichtlich der für die in der Schutzzone liegenden jeweiligen Messstellen (Ml, M2, M3) ver- wendeten Zustandsvariablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zustandswerten übereinstimmt; und

- bei Fehlen eines solchen Zustands von der Auswerteeinrichtung (18) das Fehlererkennungssignal in Form eines Fehlerzo¬ nensignals erzeugt wird, das ein Vorliegen eines Fehlers in der Schutzzone angibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

- bei Vorliegen des Fehlerzonensignals für die von dem Fehler betroffene Schutzzone an einem oder mehreren Enden der

Schutzzone vorliegende Werte für Ströme und Spannungen be¬ stimmt werden und mittels der so bestimmten Werte für Ströme und Spannungen eine Berechnung desjenigen Ortes innerhalb der Schutzzone durchgeführt wird, an dem der Fehler aufgetreten ist .

4. 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

- bei Vorliegen des Fehlererkennungssignals das Energiever¬ sorgungsnetz (10, 40) in mehrere logische Teilabschnitte (45a, 45b, 45c) unterteilt wird;

- für einzelne Teilabschnitte (45a, 45b, 45c) oder Kombinati¬ onen von Teilabschnitten (45a, 45b, 45c) mittels einer Zustandsschätzung überprüft wird, ob sich für den jeweiligen Teilabschnitt (45a, 45b, 45c) oder die Kombination von Teil- abschnitten (45a, 45b, 45c) durch die Modellbeschreibung ein elektrischer Zustand des Energieversorgungsnetzes (10, 40) beschreiben lässt, der hinsichtlich der für die jeweiligen Messstellen (Ml, M2, M3) verwendeten Zustandsvariablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zustandswerten über- einstimmt; und

- von der Auswerteeinrichtung (18) bei Fehlen eines solchen Zustands hinsichtlich eines bestimmten Teilabschnitts (45a, 45b, 45c) oder einer Kombination von Teilabschnitten (45a, 45b, 45c) ein Fehlerzonensignal erzeugt wird, das denjenigen Teilabschnitt (45a, 45b, 45c) des Energieversorgungsnetzes (10, 40) angibt, für den der Fehler erkannt worden ist. 5. Verfahren nach Anspruch 4,

- bei Vorliegen des Fehlerzonensignals für den von dem Fehler betroffenen Teilabschnitt (45a, 45b, 45c) des Energieversor¬ gungsnetzes (10, 40) an einem oder mehreren Enden des Teilab¬ schnittes (45a, 45b, 45c) vorliegende Werte für Ströme und Spannungen bestimmt werden und mittels der so bestimmten Werte für Ströme und Spannungen eine Berechnung desjenigen Ortes innerhalb des Teilabschnittes (45a, 45b, 45c) durchgeführt wird, an dem der Fehler aufgetreten ist. 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

- zur Überprüfung, ob sich durch die Modellbeschreibung ein elektrischer Zustand des Energieversorgungsnetzes (10, 40) beschreiben lässt, der hinsichtlich der für die jeweiligen Messstellen (Ml, M2, M3) verwendeten Zustandsvariablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zustandswerten übereinstimmt, mittels der Auswerteeinrichtung eine Minimierung einer Kostenfunktion von durch die Modellbeschreibung beschreibbaren Zuständen des Energieversorgungsnetzes (10, 40) durchgeführt wird; und

- auf ein Fehlen eines beschreibbaren Zustands geschlossen wird, wenn das Ergebnis der Kostenfunktion oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes liegt. 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

- als Kostenfunktion die Gleichung verwendet wird, mit

J : Kostenfunktion z Vektor der für die Messstellen ermittelten Zu- standswerte ;

x Vektor der Zustandsvariablen;

h(x) Vektor der Zustandsgleichungen zur Modellbeschreibung des Energieversorgungsnetzes;

R Kovarianz-Matrix des Vektors z

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

- von der Auswerteeinrichtung außerdem für einen jeweiligen als Ergebnis aus der Minimierung der Kostenfunktion hervorge henden Vektor der Zustandsvariablen ein Prüfwert ermittelt wird gemäß

stdzi -h(x) wobei der Index i für den durch die i-te Komponente des Vek¬ tors der Zustandsgleichungen der Modellbeschreibung des Energieversorgungssystems beschriebenen Zustand der Modellbe- Schreibung steht; und

- dann auf ein Fehlen eines beschreibbaren Zustands geschlossen wird, wenn der Prüfwert einen einstellbaren Prüf- Schwellenwert übersteigt. 9. 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

- zumindest einige der Zustandswerte für bestimmte Messstel¬ len (Ml, M2, M3) in dem berechnet oder geschätzt werden. 10. Leitstelleneinrichtung (17) zum Erkennen eines Fehlers in einem elektrischen Energieversorgungsnetz (10, 40), mit einer Auswerteeinrichtung (18) zur Erfassung von für mehrere Messstellen (Ml, M2, M3) in dem Energieversorgungsnetz (10, 40) ermittelten Zustandswerten, die einen an der jeweiligen Mess- stelle (Ml, M2, M3) vorliegenden elektrischen Zustand des

Energieversorgungsnetzes (10, 40) angeben, wobei die Auswer¬ teeinrichtung (18) zur Erkennung eines in dem Energieversor- gungsnetz (10, 40) vorliegenden Fehlers anhand der Zustands- werte eingerichtet ist;

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

- die Auswerteeinrichtung (18) zur Durchführung eines Verfah- rens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.

Description:
Beschreibung

Fehlererkennung in Energieversorgungsnetzen Die im Folgenden beschriebene Erfindung ist im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Siemens AG und der Fakultät für Angewandte Wissenschaften Bio-, Elektro- und Mechanische Sys ¬ teme (Faculty of Applied Sciences Bio-, Electro- And Mechani- cal Systems) der Freien Universität Brüssel ULB (Universite Libre de Bruxelles) unter der Leitung von Professor Dr. Maun entwickelt worden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem elektrischen Energieversorgungsnetz, bei dem für mehrere Messstellen in dem Energieversorgungsnetz Zu- standswerte bestimmt werden, die einen an der jeweiligen Messstelle vorliegenden elektrischen Zustand des Energieversorgungsnetzes angeben, die Zustandswerte zu einer zentralen Leitstelleneinrichtung übermittelt werden, die eine Auswer- teeinrichtung umfasst, übermittelt werden und die Zustands ¬ werte von der Auswerteeinrichtung zur Erkennung eines in dem Energieversorgungsnetz vorliegenden Fehlers herangezogen werden. Die Erfindung betrifft auch eine Leistelleneinrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einem elektrischen Energiever- sorgungsnetz mit einer Auswerteeinrichtung zur Erfassung von für mehrere Messstellen in dem Energieversorgungsnetz ermittelten Zustandswerten, die einen an der jeweiligen Messstelle vorliegenden elektrischen Zustand des Energieversorgungsnet ¬ zes angeben und die zur Erkennung eines in dem Energieversor- gungsnetz vorliegenden Fehlers anhand der Zustandswerte ein ¬ gerichtet ist.

Elektrische Energieversorgungsnetze werden üblicherweise ab ¬ schnittsweise mit sogenannten Schutzgeräten auf Fehler, wie beispielsweise Kurzschlüsse oder Erdschlüsse, überwacht. Beim Auftreten eines solchen unzulässigen Betriebszustands trennen die Schutzgeräte den von dem Fehler betroffenen Teil des Energieversorgungsnetzes vom restlichen Netz durch Öffnen entsprechender Leistungsschalter ab und vermeiden so eine Gefährdung für Personen und Komponenten des elektrischen Energieversorgungsnetzes. Zur Überwachung der einzelnen Abschnit ¬ te des elektrischen Energieversorgungsnetzes führen die

Schutzgeräte sogenannte Schutzalgorithmen aus. Hierbei wird unter Verwendung von Messwerten, bei denen es sich beispielsweise um den Strom und die Spannung an einer Messstelle des elektrischen Energieversorgungsnetzes charakterisierende Messwerte handeln kann, eine Entscheidung darüber getroffen, ob ein unzulässiger oder ein zulässiger Betriebszustand vorliegt .

Beispielsweise beschreibt die US 6,518,768 Bl ein System aus mehreren Differentialschutzgeräten zur Überwachung eines Lei- tungsabschnitts mit mehreren Enden hinsichtlich des Auftre ¬ tens von Fehlern.

Mittlerweile gibt es darüber hinaus Bestrebungen, eine

Schutzauswertung für ein Energieversorgungsnetz zentral zu- sammenzuführen . Beispielsweise ist aus der US 6,985,784 B2 bekannt, an mehreren Messstellen in einem Energieversorgungsnetz aufgenommene Messwerte an ein zentrales Steuerungssystem zu übertragen. Das beschriebene zentrale Steuerungssystem stellt eine Rechneranordnung dar, mittels der die üblicher- weise in den einzelnen dezentralen Schutzgeräten ausgeführten Schutzalgorithmen unter Verwendung der übertragenen Messwerte zentral ausgeführt werden. Bei Erkennung eines Fehlers wird ein entsprechendes Auslösesignal an einen Schalter übertra ¬ gen, der den betroffenen Netzabschnitt vom übrigen Energie- Versorgungsnetz abtrennt.

Da mit dem zentralen Steuerungssystem quasi eine Vielzahl von Schutzgeräten auf einer Rechneranordnung betrieben wird, entsteht ein vergleichsweise hoher Aufwand bei der Projektie- rung, Inbetriebsetzung und Parametrierung des zentralen Steuerungssystems . In heutigen Energieversorgungsnetzen mit einer großen Anzahl dezentraler Einspeisungen elektrischer Energie, beispielsweise durch Photovoltaik- oder Windkraftanlagen besteht darüber hinaus das Problem, dass aufgrund der durch Umrichter gesteu- erten Einspeisung nur relativ geringe Kurzschlussströme verfügbar sind, d.h. auch bei Vorliegen eines Fehlers in dem Energieversorgungsnetz steigt der Kurzschlussstrom vergleichsweise schwach an, so dass eine Detektion mit den be ¬ kannten Schutzalgorithmen erschwert ist. Dieses Problem be- steht insbesondere in sogenannten „Microgrids" , also kleinen, in sich abgeschlossenen Energieversorgungsnetzen, und Inselnetzen, ist aber auch in größeren, komplexen Energieversorgungsnetzen mit steigendem Anteil an Einspeisung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen zu beobachten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Leitstelleneinrichtung der eingangs genannten Art derart fortzubilden, dass auftretende Fehler, insbesondere auch in Energieversorgungsnetzen mit geringen Kurzschlussströmen, mit hoher Zuverlässigkeit und Selektivität erkannt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem mittels der Auswerteeinrichtung eine Zustandsschätzung ausgeführt wird, die sich einer Modellbeschreibung des elekt ¬ rischen Energieversorgungsnetzes bedient, die zur Beschrei ¬ bung möglicher elektrischer Zustände des Energieversorgungs ¬ netzes anhand von Zustandsvariablen geeignet ist, während der Zustandsschätzung überprüft wird, ob sich durch die Modellbe ¬ schreibung ein elektrischer Zustand des Energieversorgungs ¬ netzes beschreiben lässt, der hinsichtlich der für die jeweiligen Messstellen verwendeten Zustandsvariablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zustandswerten übereinstimmt, und bei Fehlen eines solchen Zustands von der Auswerteeinrichtung ein Fehlererkennungssignal erzeugt wird, das ein Vorliegen eines Fehlers in dem Energieversorgungsnetz angibt. Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich hierbei in neuarti ¬ ger Weise die Funktionsweise eines Zustandsschätzers , in der entsprechenden Fachterminologie auch als „State-Estimator" bezeichnet, zunutze.

Bei einer Zustandsschätzung wird prinzipiell ein elektrischer Zustand eines Energieversorgungsnetzes anhand möglichst re ¬ dundant vorliegender Zustandswerte für mehrere Messstellen des Energieversorgungsnetzes ermittelt. Die Schwierigkeit da- bei ist, dass normalerweise nicht für alle möglichen Stellen in dem Energieversorgungsnetz Zustandswerte bekannt sind, beispielsweise weil aus Kostengründen nur eine begrenzte An ¬ zahl von Messsensoren installiert wird. Beim herkömmlichen Betrieb eines Zustandsschätzers wird daher mittels des Zu- Standsschätzers ein möglichst genaues mathematisches Modell des betrachteten Energieversorgungsnetzes implementiert, mit dem anhand der für die vorhandenen Messstellen vorliegenden Zustandswerte, die z.B. in Form von Strömen, Spannungen oder Leistungen vorliegen können, der Netzzustand an allen mögli- che Punkten des Energieversorgungsnetzes bestimmt werden kann. Ein solcher Zustand setzt sich mathematisch aus einem Vektor von Zustandsvariablen zusammen, die beispielsweise die Spannung an allen betrachteten Punkten des Energieversorgungsnetzes angeben. Weitere Zustandsvariablen können bei- spielsweise eine Veränderung eines Phasenunterschieds bei unsynchronisierten Messgeräten, die Abzweigströme und die Einstellung von Transformatorstufenstellern sein. Herkömmliche Zustandsschätzer dienen somit zur Überwachung und Visualisierung der Betriebszustände von Energieversorgungsnetzen und werden üblicherweise in Netzleitstellen eingesetzt. Au ¬ ßerdem können mit einem Zustandsschätzer Sensorfehler der die Zustandswerte aufnehmenden Messgeräte erkannt werden.

Zustandsschätzer zur Überwachung von Energieübertragungsnet- zen sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von A. Abur und A. Gomez Exposito „Power System State Estimation", New York: Marcel Dekker, 2004, bekannt. Die Möglichkeit, Zu ¬ standsschätzer auch für dreiphasige Verteilnetze einzusetzen, ist zudem beispielsweise in der Veröffentlichung von C. Lu, J. Teng und W.-H. E. Liu "Distribution System State estimati- on", IEEE Transactions on Power Systems, pp . 229-240, 1995, beschrieben. Außerdem ist im Aufsatz von Michael Hürtgen "Ad- vantages of power System State estimation using Phasor Measu- rement Units", Proceedings of the Power Systems Computation Conference, 2008, die Verwendung von sogenannten Phasormess- geräten ("Phasor Measurement Units") als Messgeräte zur Er ¬ fassung von Zustandswerten für einen Zustandsschätzer be- schrieben.

Die Erfindung setzt nun einen Zustandsschätzer in neuer Weise zur Erkennung eines Fehlers in einem Energieversorgungsnetz ein, indem überprüft wird, ob mittels der Modellbeschreibung ein Zustand des Energieversorgungsnetzes abgebildet werden kann, der mit den erfassten Zustandswerten in weitgehende Übereinstimmung gebracht werden kann. Ist dies der Fall, so wird das Energieversorgungsnetz als fehlerfrei angesehen und es wird entsprechend kein Fehlererkennungssignal erzeugt. Können die Zustandswerte hingegen nicht mit einem von der Mo ¬ dellbeschreibung beschreibbaren Zustand des Energieversorgungsnetzes in Übereinstimmung gebracht werden, so kann darauf geschlossen werden, dass im Energieversorgungsnetz ein Fehler vorliegt und es wird folglich das Fehlererkennungssig- nal erzeugt.

Das erfindungsgemäße Fehlererkennungsverfahren kann vorteilhaft als Primärschutz, insbesondere aber als systemweiter zentraler Backupschutz neben bestehenden dezentralen Schutz- geräten eingesetzt werden. Außerdem kann mit gespeicherten Zustandswerten auch eine Offline-Fehleranalyse durchgeführt werden .

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens sieht vor, dass die Zustandsschätzung mittels der

Auswerteeinrichtung für eine abgegrenzte Schutzzone des Ener ¬ gieversorgungsnetzes ausgeführt wird, während der Zustands- schätzung überprüft wird, ob sich durch die Modellbeschrei- bung ein elektrischer Zustand der Schutzzone beschreiben lässt, der hinsichtlich der für die in der Schutzzone liegenden jeweiligen Messstellen verwendeten Zustandsvariablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zustandswerten übereinstimmt, und bei Fehlen eines solchen Zustands von der Auswerteeinrichtung das Fehlererkennungssignal in Form eines Fehlerzonensignals erzeugt wird, das ein Vorliegen eines Feh ¬ lers in der Schutzzone angibt. Bei dieser Ausführungsform wird quasi eine lokale Zustands- schätzung für eine (oder mehrere) einzelne Schutzzone (n) des Energieversorgungsnetzes durchgeführt. Anhand des Ergebnisses der Zustandsschätzung kann direkt darauf geschlossen werden, ob die überwachte Schutzzone fehlerbehaftet ist.

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass bei Vorliegen des Fehlerzonensignals für die von dem Fehler betroffene Schutzzone an einem oder mehreren Enden der Schutzzone vorliegende Werte für Ströme und Spannungen bestimmt werden und mittels der so, beispielsweise aus den für die gesunden Tei ¬ len des Energieversorgungsnetzes bestimmten ZustandsschätZungen, bestimmten Werte für Ströme und Spannungen eine Berechnung desjenigen Ortes innerhalb der Schutzzone durchgeführt wird, an dem der Fehler aufgetreten ist.

Auf diese Weise kann innerhalb der überwachten Schutzzone ei ¬ ne genaue Fehlerortung durchgeführt werden. Anhand der Mo ¬ dellbeschreibung des Energieversorgungsnetzes und den Zu ¬ standsvariablen für fehlerfreie Teilabschnitte des Energie- Versorgungsnetzes außerhalb der fraglichen Schutzzone kann für die Grenzen bzw. Enden der Schutzzone eine Angabe über dort vorliegende Ströme und Spannungen gemacht werden. Aus diesen Werten lässt sich anhand an sich bekannter Fehlerortungsalgorithmen der genaue Fehlerort ableiten; dabei können für die Fehlerortung Ströme und Spannungen von einem Ende oder mehreren Enden der Schutzzone verwendet werden. Beispie ¬ le für Fehlerortungsverfahren finden sich beispielsweise in der US 5,929,642 oder in dem Aufsatz von M.M. Saha, J. Izy- kowski und E. Rosolowski „Fault Location on Power Networks", 2010, London, Springer-Verlag.

Mittels einer solchen genauen Fehlerortung kann vorteilhaft ein Reparatur- und Wartungsmanagement unterstützt werden; au ¬ ßerdem kann die Fehlerortung auch zu weiteren Schutzzwecken - ähnlich wie bei einem Distanzschutzgerät - herangezogen werden . Prinzipiell wird bis zur Fehlerortung also ein zweistufiges Verfahren durchlaufen: Zunächst wird kontinuierlich für die fragliche Schutzzone das Vorliegen eines Fehlers unter Ver ¬ wendung des Zustandsschätzers untersucht. Sollte ein Fehler erkannt worden sein, so kann anschließend durch Berechnung der Ströme und Spannungen an den Grenzen des fehlerbehafteten Abschnitts unter Verwendung der in dem Zustandsschätzer eingesetzten Modellbeschreibung und der bestimmten Zustandsvari- ablen für gesunde Netzteile außerhalb der betrachteten

Schutzzone mittels eines üblichen Fehlerortungsverfahrens auf den konkreten Fehlerort geschlossen werden.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Vorliegen des Fehlererkennungssignals das Energieversorgungsnetz in mehrere logische Teilabschnitte unterteilt wird, für einzelne Teilabschnitte oder Kombinationen von Teilabschnitten mittels einer Zustandsschätzung überprüft wird, ob sich für den jeweiligen Teilabschnitt oder die Kombination von Teilabschnit ¬ ten durch die Modellbeschreibung ein elektrischer Zustand des Energieversorgungsnetzes beschreiben lässt, der hinsichtlich der für die jeweiligen Messstellen verwendeten Zustandsvari- ablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zustands- werten übereinstimmt, und von der Auswerteeinrichtung bei Fehlen eines solchen Zustands hinsichtlich eines bestimmten Teilabschnitts oder einer Kombination von Teilabschnitten ein Fehlerzonensignal erzeugt wird, das denjenigen Teilabschnitt des Energieversorgungsnetzes angibt, wo der Fehler erkannt worden ist. Bei dieser Ausführungsform kann für ein komplexes Energieversorgungsnetz ohne separat überwachte Schutzzonen neben der bloßen Bestimmung, ob ein Fehler in dem Energieversorgungs- netz vorliegt, auch eine Identifizierung des von dem Fehler betroffenen Netzteils durchgeführt werden. Hierzu wird der Zustandsschätzer-Algorithmus auf Teile des Energieversor ¬ gungsnetzes angewendet, so dass aus einem Vergleich der Er ¬ gebnisse dieser Überprüfung abgeleitet werden kann, welcher Teilabschnitt des Energieversorgungsnetzes von dem Fehler be ¬ troffen ist.

Die betrachteten Teilabschnitte müssen hierbei in sich abge ¬ schlossen sein und eine Redundanz der bezüglich ihrer Mess- stellen erfassten Zustandswerte aufweisen. Dabei kann der Zustandsschätzer-Algorithmus auch auf Kombinationen von Teilab ¬ schnitten angewendet werden, solange sichergestellt ist, dass durch einen Vergleich mehrerer betrachteter Teilabschnitte und/oder Kombinationen von Teilabschnitten ein einzelner feh- lerbehafteter Teilabschnitt sicher identifiziert werden kann.

Wenn ein Teilabschnitt als von dem Fehler betroffen erkannt worden ist, wird ein entsprechendes Fehlerzonensignal er ¬ zeugt, das den fraglichen Abschnitt angibt. Das Fehlerzonen- signal kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Primär- oder Backupschutz des Energieversorgungsnetzes zur Auslösung entsprechender Schalteinrichtungen (z.B. Leistungsschalter) eingesetzt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zudem vorgesehen sein, dass bei Vorliegen des Fehlerzonensignals für den von dem Fehler betroffenen Teilabschnitt des Energieversorgungsnetzes an einem oder mehreren Enden des Teilab ¬ schnittes vorliegende Werte für Ströme und Spannungen be- stimmt werden und mittels der so bestimmten Werte für Ströme und Spannungen eine Berechnung desjenigen Ortes innerhalb des Teilabschnittes durchgeführt wird, an dem der Fehler aufge ¬ treten ist. Auf diese Weise kann innerhalb des identifizierten Teilab ¬ schnitts des Energieversorgungsnetzes eine genaue Fehleror ¬ tung durchgeführt werden. Anhand der Modellbeschreibung des Energieversorgungsnetzes und den bei der Fehlererkennung und Fehlerzonenidentifizierung bestimmten Zustandsvariablen für die fehlerfreien Teilabschnitte des Energieversorgungsnetzes kann für die Grenzen bzw. Enden des von dem Fehler betroffenen Teilabschnitts eine Angabe über dort vorliegende Ströme und Spannungen gemacht werden. Aus diesen Werten lässt sich anhand an sich bekannter Fehlerortungsalgorithmen der genaue Fehlerort ableiten; dabei können für die Fehlerortung Ströme und Spannungen von einem Ende oder mehreren Enden des Teilabschnitts verwendet werden. Beispiele für Fehlerortungsverfah- ren finden sich beispielsweise in der US 5,929,642 oder in dem Aufsatz von M.M. Saha, J. Izykowski und E. Rosolowski „Fault Location on Power Networks", 2010, London, Springer- Verlag . Mittels einer solchen genauen Fehlerortung kann vorteilhaft ein Reparatur- und Wartungsmanagement unterstützt werden.

Prinzipiell wird bei dieser Ausführungsform bis zur Fehlerortung also ein mehrstufiges Verfahren durchlaufen: Zunächst wird kontinuierlich das generelle Vorliegen eines Fehlers hinsichtlich des gesamten Energieversorgungsnetzes unter Verwendung des Zustandsschätzers untersucht. Sollte ein Fehler erkannt worden sein, so wird anschließend durch Verwendung des Zustandsschätzers auf einzelne Teilabschnitte oder Kombi- nationen von Teilabschnitten eine Identifizierung des von dem Fehler betroffenen Teilabschnitts durchgeführt. Durch Berechnung der Ströme und Spannungen an den Grenzen des fehlerbehafteten Abschnitts unter Verwendung der in dem Zustands- schätzer eingesetzten Modellbeschreibung und der zuvor be- stimmten Zustandsvariablen für die gesunden Netzteile kann anschließend mittels eines üblichen Fehlerortungsverfahrens auf den konkreten Fehlerort geschlossen werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass zur Überprüfung, ob sich durch die Modellbeschreibung ein elektrischer Zustand des Energieversorgungsnetzes beschreiben lässt, der hinsicht- lieh der für die jeweiligen Messstellen verwendeten Zustands- variablen zumindest näherungsweise mit den jeweiligen Zu- standswerten übereinstimmt, mittels der Auswerteeinrichtung eine Minimierung einer Kostenfunktion von durch die Modellbeschreibung beschreibbaren Zuständen des Energieversorgungs- netzes durchgeführt wird, und auf ein Fehlen eines beschreib ¬ baren Zustands geschlossen wird, wenn das Ergebnis der Kos ¬ tenfunktion oberhalb eines einstellbaren Schwellenwertes liegt . Durch die Minimierung der Kostenfunktion kann derjenige Satz von Zustandsvariablen aus allen möglichen Zustandsvariablen ermittelt werden, mittels dessen mit der Modellbeschreibung die tatsächlich vorliegenden Zustandswerte abgebildet werden können .

Konkret kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass als Kostenfunktion die Matrix-Gleichung

J ^z - h(x)] T R l [z - h(x)] verwendet wird, mit

J Kostenfunktion

z Vektor der für die Messstellen ermittelten Zustandswerte ;

X Vektor der Zustandsvariablen;

h(x) Vektor der Zustandsgieichungen zur Modellbeschreibung des Energieversorgungsnetzes;

R Kovarianz-Matrix des Vektors z ) ;

steht für die Transposition der betroffenen Matrix; steht für die Inversion der betroffenen Matrix. Diese Gleichung wird für ein dreiphasiges System minimiert und ergibt einen Satz bzw. Vektor von Zustandsvariablen x, mit dem die Zustandswerte in der Modellbeschreibung mit hinreichender Genauigkeit abgebildet werden können. Mit anderen Worten: die Kostenfunktion wird über die Variablen x minimiert. Hierzu wird das Ergebnis J der Kostenfunktion mit ei ¬ nem Schwellenwert verglichen; solange der Schwellenwert un ¬ terschritten wird, kann ein fehlerfreier Zustand angenommen werden .

Um die Zuverlässigkeit der Aussage des Zustandsschätzer noch weiter zu erhöhen, kann in diesem Zusammenhang gemäß einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass von der Auswerteeinrichtung außerdem für ei- nen jeweiligen als Ergebnis aus der Minimierung der Kostenfunktion hervorgehenden Vektor je der Zustandsvariablen ein Prüfwert LNR ermittelt wird gemäß wobei der Index i für den jeweils durch die i-te Komponente der Messfunktion h(x), also dem Vektor der Zustandsgleichun- gen der Modellbeschreibung des Energieversorgungssystems, be ¬ schriebenen Zustand der Modellbeschreibung steht, und dann auf ein Fehlen eines beschreibbaren Zustands geschlossen wird, wenn der Prüfwert einen einstellbaren Prüf- Schwellenwert übersteigt. Dabei können die Überprüfungen ge ¬ mäß der Kostenfunktion J und dem Prüfwert LNR (Largest Norma- lized Residual) logisch mit UND oder ODER verknüpft sein, d.h. es kann je nach Einstellung des Schutzsystems ein Fehler dann erkannt werden, wenn eine der beiden Überprüfungen oder beide einen Fehler erkennen.

Die Zustandswerte werden üblicherweise mittels an jeweiligen Messstellen in dem Energieversorgungsnetz angeordneten Messsensoren erfasst. Solche gemessenen Zustandswerte werden als verlässlichste Zustandswerte angesehen und können in dem Zu- Standsschätzerverfahren entsprechend stärker gewichtet werden .

Außerdem kann auch vorgesehen sein, dass zumindest einige der Zustandswerte für bestimmte Messstellen berechnet oder ge ¬ schätzt werden.

Hierbei werden auf Grundlage der gemessenen Zustandswerte un ¬ ter Verwendung von Modellen (z.B. Lastmodellen) und oder Netzparametern (z.B. Leitungsimpedanzen) Zustandswerte für diejenigen Messstellen in dem Energieversorgungsnetz ermittelt, an denen, z.B. wegen nicht vorhandener oder defekter Sensoren, keine gemessenen Zustandsvariablen vorliegen. Solche berechneten Zustandswerte werden als weniger zuverlässig als die gemessenen Zustandswerte angesehen und können daher mit geringerer Wichtung in die Zustandsschätzung eingehen.

Außerdem muss der Satz von Messwerten die Ermittlung der Zustandsvariablen ermöglichen. Wenn beispielsweise keine Span- nungsmessung erfolgt, ist es nicht möglich den Zustand des Systems zu ermitteln. Wenn das Netz nicht beobachtbar („ob- servable") ist, kann das Verfahren nicht für die fragliche Schutzzone verwendet werden; oder es müssen mehr Modelle ver ¬ fügbar sein.

Hinsichtlich der Leitstelleneinrichtung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Leitstelleneinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die zur Durchführung eines Verfahrens ge ¬ mäß einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.

Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das erfindungsge ¬ mäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung eine neuartige Möglichkeit zur Fehlererkennung in Energieversorgungsnetzen angibt, indem mittels eines Zustandsschätzers überprüft wird, ob Modellbeschreibung und Zustandswerte zu ¬ einander passen. Da dies nur in einem fehlerfreien Zustand des Energieversorgungsnetzes der Fall ist, kann auf diese Weise zuverlässig erkannt werden, ob ein Fehler in dem Ener- gieversorgungsnetz vorliegt oder nicht. Wenn die Zustands- schätzung direkt für eine abgeschlossene Schutzzone durchge ¬ führt wird, lässt sich der von dem Fehler betroffene Netzteil unmittelbar bestimmen. Andernfalls lässt sich durch Anwendung des Zustandsschätzers auf einzelne Teilabschnitte des Ener ¬ gieversorgungsnetzes der konkrete fehlerbehaftete Teilab ¬ schnitt in entsprechender Weise feststellen. Anhand der sich aus der Modellbeschreibung für die fehlerfreien Teilabschnitte ergebenden Werte für Ströme und Spannungen an den Grenzen zum fehlerbehafteten Abschnitt kann schließlich noch eine genaue Fehlerortung stattfinden.

Die Erfindung wird nachfolgenden anhand eines Ausführungsbei ¬ spiels näher erläutert. Dabei zeigen

Figur 1 eine schematische Ansicht eines mittels einer Leitstelleneinrichtung überwachten Energieversorgungsnetzes; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ver ¬ fahrensablaufs zur Erkennung und Ortung eines Fehlers in einem Energieversorgungsnetz; und Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Energiever ¬ sorgungsnetzes zur Erläuterung des in Figur 2 gezeigten Verfahrensablaufs.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein lediglich bei- spielhaft angedeutetes elektrisches Energieversorgungsnetz

10, das an einer ersten Sammelschiene IIa eine Quelle 12a und an einer zweiten Sammelschiene IIb eine Last 12b aufweist. Die beiden Sammelschienen IIa und IIb sind über eine Energie ¬ versorgungsleitung 13 miteinander verbunden. Die Energiever- sorgungsleitung 13 kann über Schalteinrichtungen 14a und 14b von den Sammelschienen IIa und IIb abgetrennt werden. Im Bereich der Schalteinrichtungen 14a und 14b sind darüber hinaus Mess- oder Schutzgeräte in Form von IEDs (Intelligent Elect- ronic Devices) 15a und 15b vorgesehen, die Zustandswerte in Form von Stromzeigern und/oder Spannungszeigern an ihren Messstellen des Energieversorgungsnetzes 10 aufnehmen. Dar ¬ über hinaus sind weitere IEDs 15c, 15d und 15e vorgesehen; das IED 15c misst einen Zustandswert in Form eines die Ein- speisung durch die Quelle 12a angebenden Stromzeigers, während die IEDs 15d und 15e mit den Schalteinrichtungen 14a und 14b verbunden sind und dort Zustandswerte in Form von Schal ¬ terstellungen (geöffnet/geschlossen) erfassen. Anstelle der Messung von Strom- und/oder Spannungszeigern können auch einfache Amplitudenmessungen verarbeitet werden.

Alle auf diese Weise erfassten Zustandswerte werden über Kom ¬ munikationsverbindungen an einen Kommunikationsbus 16 über- mittelt, der wiederum mit einer Leitstelleneinrichtung 17, z.B. einem SCADA-System (Supervisory Control and Data Acqui- sition) , in Verbindung steht und die Zustandswerte an diese überträgt . Die Leitstelleneinrichtung 17 umfasst eine Auswerteeinrichtung 18, bei der es sich beispielsweise um eine mit speziel ¬ ler Leitstellensoftware ausgestattete mikroprozessorgesteuer ¬ te Datenverarbeitungseinrichtung handeln kann. Die Auswerteeinrichtung 18 steht mit einem Zustandsschätzer-Modul („State Estimator") 19 in Verbindung, das wiederum Zugriff auf eine Datenbank 20 besitzt, in der Informationen über das Energieversorgungsnetz 10, z.B. Topologiedaten über den Aufbau des Energieversorgungsnetzes 10, technische Kennwerte wie Lei- tungsadmittanzen, Parameter für Lastmodelle und Schaltzustän- de der Schalteinrichtungen (z.B. der Schalteinrichtungen 14a, 14b) des Energieversorgungsnetzes 10, abgespeichert sind. Diese Informationen können dynamisch an aktuelle Betriebszu- stände des Energieversorgungsnetzes angepasst werden, z.B. indem abgespeicherte Schaltzustände den tatsächlichen Schal- terstellungen nachgeführt werden. Die in der Datenbank 20 abgespeicherten Informationen dienen dem Zustandsschätzer-Modul 19 zur Erzeugung und zum Betrieb einer Modellbeschreibung, mit der das Energieversorgungsnetz 10 mit mathematisch abgebildet wird.

Zur Erkennung eines Fehlers, z.B. eines Kurzschlusses oder eines Erdschlusses, in dem Energieversorgungsnetz 10 ist die Auswerteeinrichtung 18 dazu eingerichtet, die an den Mess ¬ stellen in dem Energieversorgungsnetz durch Messung erfassten Zustandswerte und ggf. berechnete Zustandswerte, die z.B. aus den gemessenen Zustandswerten oder unter Verwendung von Last- modellen für die elektrische Last 12b bestimmt worden sind, mit von dem Zustandsschätzer-Modul ermittelten, für einen fehlerfreien Betrieb des Energieversorgungsnetzes 10 mögli ¬ chen Zustandsvariablen zu vergleichen. Zustandsvariablen sind in diesem Zusammenhang üblicherweise Spannungszeiger, die mit der Modellbeschreiung für die jeweiligen Messstellen des

Energieversorgungsnetzes ermittelt werden. Diese lassen sich, ggf. nach Umrechnung unter Verwendung von Zustandsgleichun- gen, mit den Zustandswerten, die für die einzelnen Messstellen (durch Messung oder rechnerisch) ermittelt worden sind, vergleichen. Sofern mit dem Zustandsschätzer-Modul ein Be ¬ triebszustand des Energieversorgungsnetzes mit solchen Zu ¬ standsvariablen abgebildet werden kann, die weitgehend mit den ermittelten Zustandswerten übereinstimmen, wird das Energieversorgungsnetz als fehlerfrei betrachtet, andernfalls kann auf das Vorliegen eines Fehlers geschlossen werden. Mit anderen Worten wird bei dem Verfahren geprüft, ob die mathe ¬ matische Beschreibung des Energieversorgungsnetzes 10 und der durch die Zustandswerte beschriebene tatsächliche Zustand des Energieversorgungsnetzes 10 in Übereinstimmung sind. Da die Modellbeschreibung ausschließlich zur Beschreibung fehlerfreier Zustände des Energieversorgungsnetzes 10 geeignet ist, kann aus einer fehlenden oder unzureichenden Übereinstimmung auf einen fehlerbehafteten Zustand des Energieversorgungsnet ¬ zes 10 geschlossen werden.

Sofern die Zustandsschätzung für eine (oder mehrere) abgeschlossene Schutzzone (n) durchgeführt wird, ist mit Erkennung des Vorliegens eines Fehlers automatisch auch eine Aussage darüber getroffen, in welchem Teil des Energieversorgungsnet ¬ zes 10 der Fehler vorliegt. Das Fehlererkennungssignal wird daher bei dieser Ausführungsform in Form eines Fehlerzonensignals erzeugt, das die betroffene Schutzzone angibt.

Wenn hingegen die Fehlererkennung anhand der Zustandsschät- zung für das gesamte Energieversorgungsnetz 10 durchgeführt wird, ist auch dann, wenn die Auswerteeinrichtung 18 das Vorliegen eines Fehlers in dem Energieversorgungsnetz 10 erkannt hat, noch keine Aussage über die Lage des Fehlers in dem

Energieversorgungsnetz 10, d.h. den fehlerbehafteten Teilabschnitt des Energieversorgungsnetzes 10 möglich. Diese Angabe wird jedoch zur Bestimmung derjenigen Schalteinrichtungen benötigt, die zur Abschaltung des Fehlers ausgelöst werden müs- sen. Daher wird im Anschluss an die Fehlererkennung üblicherweise eine Fehlerzonenerkennung durchgeführt, während der der von dem Fehler konkret betroffene Teilabschnitt des Energie ¬ versorgungsnetzes 10 identifiziert wird. Hierzu wird das Energieversorgungsnetz 10 in mehrere logische Teilabschnitte unterteilt, die separat auf das Vorliegen des Fehlers geprüft werden. Hierbei wird quasi dieselbe Vorgehensweise durchge ¬ führt wie bei der Fehlererkennung: Es wird - diesmal für den fraglichen Teilabschnitt - anhand der für diesen vorliegenden Zustandswerte überprüft, ob ein durch denjenigen Teil der Mo- dellbeschreibung, der für den fraglichen Teilabschnitt gültig ist, beschreibbarer Zustand gefunden werden kann, dessen Zu- standsvariablen mit den Zustandswerten in ausreichender Weise übereinstimmen. Wenn ein solcher Satz bzw. Vektor von Zu- standsvariablen gefunden werden kann, wird der betrachtete Teilanschnitt als fehlerfrei angesehen. Da häufig nicht für jeden Teilabschnitt in ausreichender Anzahl Messstellen verfügbar sind, für die Zustandswerte ermittelt werden können, kann dieses Verfahren auch für Kombinationen von Teilabschnitten durchgeführt werden. Dies soll an einem einfachen Beispiel erläutert werden: Ein angenommenes Energieversor ¬ gungsnetz bestehe aus drei Teilabschnitten A, B und C, wobei in dem Teilabschnitt B keine Messstellen existieren, für den Zustandswerte (durch Messung oder rechnerisch ermittelt wer- den können) . Wird nun durch das beschriebene Verfahren innerhalb der Kombination aus den Teilabschnitten A und B ein Fehler erkannt und wird für den Teilabschnitt A hingegen ein fehlerfreier Zustand festgestellt, so kann durch logische Verknüpfung dieser beiden Ergebnisse darauf geschlossen werden, dass der Fehler innerhalb des Teilabschnitts B liegen muss, so dass dieser abgeschaltet werden kann.

Wird für einen Teilabschnitt des Energieversorgungsnetzes 10 ein Fehler erkannt, so wird von der Auswerteeinrichtung 18 ein Fehlerzonensignal erzeugt, das den von dem Fehler betrof ¬ fenen Teilabschnitt kennzeichnet.

Zur Fehlerbehebung, für die - falls es sich nicht um einen selbstverlöschenden Fehler handelt - üblicherweise ein Repa ¬ raturteam nötig sein wird, muss der genaue Fehlerort inner ¬ halb des betroffenen Teilabschnitts angegeben werden. Hierzu werden diejenigen Strom- und Spannungswerte verwendet, die durch die Modellbeschreibung an den Grenzen bzw. Enden der fehlerbehafteten Schutzzone bzw. des fehlerbehafteten Teilabschnitts ermittelt werden. Hierfür werden für die an die fehlerbehaftete Schutzzone bzw. den fehlerbehafteten Teilab ¬ schnitt angrenzenden fehlerfreien Schutzzonen bzw. Teilabschnitte Ströme und Spannungen im Grenzgebiet zur fehlerbe- hafteten Schutzzone bzw. zum fehlerbehafteten Teilabschnitt berechnet. Dies kann auch dann erfolgen, wenn an den fraglichen Grenzen keine Messstellen vorhanden sind, da durch die Modellbeschreibung ein zu den erfassten Zustandswerten passender Betriebszustand des Energieversorgungsnetzes vollstän- dig - und damit auch an den benötigten Grenzen - beschrieben werden kann. Sobald die benötigten Ströme und Spannungen bestimmt worden sind, kann ein herkömmliches Fehlerortungsverfahren zur Ermittlung des konkreten Fehlerortes eingesetzt werden. Hierbei kann auf ein einseitiges Fehlerortungsverfah- ren zurückgegriffen werden, wenn nur für ein Ende der fehlerbehafteten Schutzzone bzw. des fehlerbehafteten Teilabschnittes Ströme und Spannungen bestimmt werden können (z.B. wenn die fragliche Schutzzone bzw. der fragliche Teilabschnitt nur auf einer Seite an eine weitere Schutzzone bzw. einen weite ¬ ren Teilabschnitt grenzt) ; liegen hingegen für beide Enden des Ströme und Spannungen vor, so kann auch ein zweiseitiges Fehlerortungsverfahren eingesetzt werden.

Auf diese Weise kann der genaue Fehlerort angegeben werden, so dass das Reparaturteam bei der Fehlersuche und -behebung unterstützt werden kann. Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Fehlererkennung mittels einer Zustandsschätzung für das gesamte Energieversorgungsnetz soll nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 nä ¬ her erläutert werden. Dabei wird auch auf die Fehlerzonenidentifizierung und die Fehlerortung eingegangen. Hierbei zeigt Figur 3 ein vergleichsweise einfach aufgebautes Ener ¬ gieversorgungsnetz 40 mit mehreren Netzknoten 41a - 41g, zwei einspeisenden Quellen 42a, 42b sowie Lasten 43a - 43e. Figur 2 zeigt ein Fließbild des Verfahrensablaufes zur Fehlererken ¬ nung, Fehlerzonenidentifizierung und Fehlerortung.

Hierbei ist der Verfahrensablauf in vier Hauptphasen einge ¬ teilt: eine Initialisierungsphase 21a, eine Fehlererkennungs ¬ phase 21b, eine Fehlerzonenidentifizierungsphase 21c und eine Fehlerortungsphase 21d. Die einzelnen Phasen sind im Fließ- bild durch gestrichelte Linien voneinander optisch getrennt.

In der Initialisierungsphase 21a wird in einem Modellbil- dungs-Schritt 22 die Modellbeschreibung für das Energieversorgungsnetz 40, auf der die Zustandsschätzung basiert, er- zeugt. Hierzu wird z.B. anhand von Topologiedaten und elekt ¬ rischen Kennwerten für das Energieversorgungsnetz 40 eine Ad- mittanzmatrix für die Leitungen des Energieversorgungsnetzes 40 ermittelt. Außerdem werden Lastmodelle für alle oder aus ¬ gewählte Lasten 43a - 43e des Energieversorgungsnetzes 40 de- finiert und - sofern erforderlich - andere Primärkomponenten, wie z.B. Transformatoren, modelliert. Die erzeugte Modellbe ¬ schreibung umfasst einen Satz Zustandsgieichungen, mit denen aus Zustandsvariablen mit den Zustandswerten vergleichbare Werte bestimmt werden können. Die Initialisierungsphase 21a wird üblicherweise vor Inbetriebnahme der Auswerteeinrichtung 18 (vgl. Figur 1) sowie bei Bedarf - z.B. aufgrund von Topo- logieänderungen nach Schaltvorgängen oder baulichen Netzver- änderungen - durchgeführt.

Während der anschließenden Fehlererkennungsphase 21b wird das Energieversorgungsnetz 40 auf das Vorliegen von Fehlern, z.B. Kurzschlüssen oder Erdschlüssen, überwacht. Dazu werden in einem Schritt 23 für vorhandene Messstellen in dem Energie ¬ versorgungsnetz 40 Zustandswerte erfasst. In dem Ausführungs ¬ beispiel gemäß Figur 3 existieren drei Messstellen: an Messstelle Ml werden mittels einer Strommesseinrichtung 44a

Stromzeigermesswerte, die den von Netzknoten 41a zu Netzkno- ten 41b fließenden Strom angeben, und mittels einer Spannungsmesseinrichtung 44b Spannungszeigermesswerte, die die an Netzknoten 41a anliegende Spannung angeben, erfasst. An Messstelle M2 werden in entsprechender Weise mittels einer Strommesseinrichtung 44c Stromzeigermesswerte, die den an Netzkno- ten 41d durch Quelle 42b eingespeisten Strom angeben, und mittels einer Spannungsmesseinrichtung 44d Spannungszeigermesswerte, die die an Netzknoten 41d anliegende Spannung an ¬ geben, erfasst. Außerdem werden an Messstelle M3 mittels ei ¬ ner Strommesseinrichtung 44e Stromzeigermesswerte, die den von Netzknoten 41f zu Netzknoten 41g fließenden Strom angeben, erfasst. Bei den Messeinrichtungen 44a - 44e kann es sich vorzugsweise um Zeigermesseinrichtungen, sogenannte PMUs („Phasor Measurement Unit") handeln, die zeitgestempelte Strom- bzw. Spannungszeiger aufnehmen.

Sollten einige Zustandswerte nicht als Strom- bzw. Spannungs ¬ zeiger vorliegen oder für einige Messstellen nicht vorhanden sein, können Zustandswerte, zumindest teilweise, auch aus an ¬ deren vorhandenen Messwerten abgeleitet oder unter Zuhilfe- nähme von weiteren Modellen (z.B. Lastmodellen für die Lasten 43a - 43e) berechnet werden. Da die gemessenen Zustandswerte üblicherweise zuverlässiger den tatsächlichen Betriebszustand des Energieversorgungsnetzes 40 abbilden, können sie im Ver- hältnis zu den rechnerisch ermittelten Zustandswerten für die Zustandsschätzung entsprechend höher gewichtet werden.

Die für die Messstellen Ml - M3 ermittelten Zustandswerte werden in einem folgenden Schritt 24 der Auswerteeinrichtung zugeführt. Diese prüft mittels des Zustandsschätzers , ob ein mit der Modellbeschreibung angebbarer Vektor von Zustandsva- riablen existiert, der in ausreichender Weise mit den ermittelten Zustandswerten übereinstimmt. Die Zustandsschätzung selbst kann hier beispielsweise mit einem gewichteten Least- Squares-Schätzverfahren anhand der entsprechend gewichteten Zustandswerte erfolgen. Durch die Zustandsschätzung wird ein Satz von Zustandsvariablen erzeugt. Dabei werden die dreiphasigen Spannungszeiger für die Netzknoten 41a - 41g auf Basis der vorliegenden Zustandswerte geschätzt. Danach führt die

Auswerteeinrichtung eine Minimierung einer Kostenfunktion der Zustandsschätzung durch, bei der die Zustandswerte als Ziel ¬ größen verwendet werden. Die Kostenfunktion kann beispielsweise folgende Form annehmen:

mit

J : Kostenfunktion

z : Vektor der für die Messstellen ermittelten Zustandswerte ;

x : Vektor der Zustandsvariablen;

h(x) : Vektor der Zustandsgieichungen zur Modellbeschreibung des Energieversorgungsnetzes;

R : Kovarianz-Matrix des Vektors z ;

T bezeichnet die Transponierte.

Die Minimierung der Kostenfunktion kann hierbei z.B. mittels eines iterativen Newton-Raphson-Verfahrens erfolgen. In

Schritt 25 wird geprüft, ob das ermittelte Minimum der Kos ¬ tenfunktion einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Ist dies nicht der Fall, so wird das Verfahren bei Schritt 23 mit der Erfassung weiterer Zustandswerte fortgesetzt. Über- steigt hingegen das Minimum der Kostenfunktion den Schwellenwert, d.h. es existiert kein Vektor von Zustandsvariablen, mit dem der Betriebszustand des Energieversorgungsnetzes 40 hinreichend genau beschrieben werden kann, erkennt die Aus ¬ werteeinrichtung einen Fehler in dem Energieversorgungsnetz 40 und gibt in einem folgenden Schritt 26 ein Fehlererkennungssignal ab.

Um die Zuverlässigkeit der Fehlererkennung weiter zu erhöhen, kann in Schritten 24 und 25 zusätzlich zu dem Minimum der Kostenfunktion für die in der Minimierung der Kostenfunktion J ermittelten Vektoren der Zustandsvariablen ein weiterer Prüfwert LNR ermittelt werden: wobei der Index i für den durch die i-te Komponente der Mess ¬ funktion h(x), also dem Vektor der Zustandsgieichungen der Modellbeschreibung des Energieversorgungssystems, beschriebe- nen Zustand der Modellbeschreibung steht und „std" die Standardabweichung bedeutet, die üblicherweise als Nebenprodukt der Zustandsschätzung ermittelt wird. Das Fehlererkennungs ¬ signal kann durch UND- oder ODER-Verknüpfung der Ergebnisse der Minimierung der Kostenfunktion J und der Berechnung des Prüfwertes LNR erzeugt werden. Bei einer ODER-Verknüpfung wird das Fehlererkennungssignal in Schritt 26 auch dann er ¬ zeugt, wenn nur die Kostenfunktion ihren Schwellenwert überschreitet oder der Prüfwert LNR einen einstellbaren Prüf- Schwellenwert übersteigt; bei einer UND-Verknüpfung müssen zur Erzeugung des Fehlererkennungssignals beide Bedingungen vorliegen .

Mit der Abgabe des Fehlererkennungssignals in Schritt 26 ist die Fehlererkennungsphase 21b beendet.

Bei vorliegendem Fehlererkennungssignal wird die Fehlerzonen- identifizierungsphase 21c gestartet. In einem ersten Schritt 27 dieser Phase wird das Energieversorgungsnetz 40 logisch in geeignete Teilabschnitte unterteilt. Die Teilabschnitte soll ¬ ten derart festgelegt werden, dass eine Redundanz von Zu- standswerten, vorzugsweise hinsichtlich Strommesswerten, an den Grenzen des jeweiligen Teilabschnitts existiert.

Beispielhaft werden für das Energieversorgungsnetz 40 die folgenden drei Teilabschnitte festgelegt: eine erster Teilab ¬ schnitt 45a umfasst Netzknoten 41a, 41b, 41c und 41d, da eine Redundanz der Spannungserfassung für den Netzknoten 41b existiert, der die Hauptleitung mit der Abzweigleitung verbindet. Ein zweiter Teilabschnitt 45b umfasst die Leitung zwischen Netzknoten 41f und 41g sowie den Netzknoten 41g, da für diesen Teilabschnitt 45b eine Redundanz durch die Messung des in den Teilabschnitt 45b hinein fließenden Stromes durch die

Messeinrichtung 44e existiert. Ein dritter Teilabschnitt 45c schließlich umfasst die Netzknoten 41b, 41e und 41f.

Für diese drei Teilabschnitte 45a - 45c bzw. Kombinationen von diesen Teilabschnitten wird weitgehend dasselbe Verfahren durchgeführt, wie es bei der Fehlererkennung bereits für das gesamte Energieversorgungsnetz 40 angewandt worden ist, außer dass an einen Teilabschnitt begrenzenden Netzknoten nur Zustandswerte in Form von Spannungen und in den Teilabschnitt hinein fließenden Strömen berücksichtigt werden.

In einem folgenden Schritt 28 wird daher der nächste Teilab ¬ schnitt oder eine Kombination von Teilabschnitten zur Untersuchung ausgewählt. Daraufhin wird in einem nächsten Schritt 29 die Zustandsschätzung für den fraglichen Teilabschnitt oder die fragliche Kombination von Teilabschnitten auf Grundlage der für diesen Teilabschnitt bzw. diese Kombination von Teilabschnitten verfügbaren Zustandswerte durchgeführt. Konkret wird beispielsweise in Schritte 28 der erste Teilab ¬ schnitt 45a zur Untersuchung ausgewählt und die Zustands- schätzung in Schritt 29 für den ersten Teilabschnitt 45a unter Verwendung der hierfür vorhandenen Zustandswerte (Strom- messung an Messstelle Ml, Spannungsmessung an Messstellen Ml und M2) durchgeführt. Außerdem wird eine Minimierung der oben bereits genannten Kostenfunktion J - diesmal jedoch für den zu dem ausgewählten Teilabschnitt bzw. der ausgewählten Kom- bination von Teilabschnitten gehörende Vektor von Zustandsva- riablen - durchgeführt. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Aussage kann wiederum auch der Prüfwert LNR gemäß der oben angegebenen Gleichung - diesmal jedoch für den ausgewählten Teilabschnitt bzw. die ausgewählte Kombination von Teilab- schnitten - durchgeführt werden.

In Schritt 30 wird daraufhin geprüft, ob das Ergebnis der Kostenfunktion J (oder optional der Prüfwert LNR) einen vorgegebenen Schwellenwert (oder PrüfSchwellenwert ) übersteigt. Ist dies der Fall, so wird in dem nächsten Schritt 31 das Vorliegen eines Fehlers für den betrachteten Teilabschnitt bzw. die betrachtete Kombination von Teilabschnitten abgespeichert. In einem folgenden Schritt 32 wird überprüft, ob bereits alle verfügbaren Teilabschnitte bzw. Kombinationen von Teilabschnitten betrachtet worden sind. Ist dies nicht der Fall, so wird springt der Verfahrensablauf zurück zu Schritt 28 und es wird der nächste Teilabschnitt bzw. die nächste Kombination von Teilabschnitten ausgewählt. Wird in Schritt 30 hingegen festgestellt, dass das Ergebnis der Kostenfunktion J (oder optional der Prüfwert LNR) unterhalb des Schwellenwertes (bzw. des PrüfSchwellenwertes ) liegt, so wird das Verfahren direkt bei Schritt 32 fortge ¬ setzt. Alternativ kann jedoch auch in diesem Fall in Schritt 31 ein Ergebniseintrag festgehalten werden, diesmal jedoch bezüglich des Fehlens eines Fehlers in den betrachteten Teil ¬ abschnitt bzw. der betrachteten Kombination von Teilabschnitten . Konkret werden auf diese Weise nach dem Teilabschnitt 45a beispielsweise eine erste Kombination der Teilabschnitte 45a und 45b und danach eine zweite Kombination aller drei Teilab ¬ schnitte 45a, 45b und 45c überprüft. Ergibt die Abfrage in Schritt 32 schließlich, dass alle in Schritt 27 festgelegten Teilabschnitte bzw. Kombinationen von Teilabschnitten überprüft worden sind, wird das Verfahren bei Schritt 33 fortgesetzt, in dem die Ergebnisse der Überprüfun ¬ gen logisch derart miteinander verknüpft werden, dass der konkrete fehlerbehaftete Teilabschnitt identifiziert werden kann. Außerdem wird in Schritt 33 ein Fehlerzonensignal er ¬ zeugt, das den fehlerbehafteten Teilabschnitt angibt.

Konkret kann die Auswertung der Ergebnisse der Überprüfungen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise wie folgt durchgeführt werden: wenn für den ersten Teilabschnitt 45a ein Fehler erkannt wird, so wird darauf geschlossen, dass der Fehler in dem ersten Teilabschnitt 45a liegt und ein ent ¬ sprechendes Fehlerzonensignal abgegeben. Hier kann auf eine Überprüfung der ersten Kombination (Teilabschnitte 45a und 45b) und zweiten Kombination (Teilabschnitte 45a, 45b, 45c) verzichtet werden. Wird lediglich für die erste und die zwei- te Kombination ein fehlerbehafteter Zustand erkannt, für den ersten Teilabschnitt 45a jedoch ein fehlerfreier Zustand festgestellt, so wird darauf geschlossen, dass der Fehler im dritten Teilabschnitt 45c liegt und ein entsprechendes Feh ¬ lerzonensignal abgegeben. Weitere logische Verknüpfungen kön- nen entsprechend der jeweiligen Netztopologie leicht erzeugt werden .

Mit Schritt 33 ist die Fehlerzonenidentifizierungsphase 21c beendet und der Verfahrensablauf wird bei vorliegendem Feh- lerzonensignal mit Schritt 34 in der Fehlerortungsphase fort ¬ gesetzt.

In Schritt 34 werden anhand der in der Fehlerzonenidentifi- zierungsphase 21c durchgeführten Zustandsschätzungen für die fehlerfreien Teilabschnitte bzw. Kombinationen von Teilabschnitten Ströme und Spannungen an mindestens einem Ende des fehlerbehafteten Teilabschnitts ermittelt. In Abhängigkeit davon, für wie viele Enden des fehlerbehafteten Teilabschnit- tes diese Strom- und Spannungsinformationen vorliegen, wird im folgenden Schritt 35 ein - an sich bekanntes - einseitiges oder zweiseitiges Fehlerortungsverfahren durchgeführt. Wird beispielsweise konkret angenommen, dass in der Fehlerzo- nenidentifizierungsphase 21c der dritte Teilabschnitt 45c als fehlerbehaftet erkannt worden ist, so wird anhand der Zu- standsschätzung für den gesunden zweiten Teilabschnitt 45b die Spannung am Netzknoten 41f sowie der vom Netzknoten 41f zum Netzknoten 41g fließende Strom bestimmt. Damit liegen für den ein Ende des fehlerbehafteten Teilabschnitts 45c bildenden Netzknoten 41f Strom und Spannung vor, und es kann ein einseitiges Fehlerortungsverfahren durchgeführt werden, um den genauen Ort des Fehlers zu ermitteln.

Dieser Fehlerort wird schließlich in Schritt 36 als Fehlerortsignal ausgegeben. Damit ist der Verfahrensablauf beendet und kann erneut bei der Fehlererkennungsphase 21b begonnen werden .

Wird die Zustandsschätzung anstelle für das gesamte Energie ¬ versorgungsnetz bereits auf eine oder mehrere abgeschlossene Schutzzonen angewandt, so bildet das Ergebnis der Fehlerer ¬ kennungsphase 21b bereits das Ergebnis der Fehlerzonenidenti- fizierungsphase 21c ab, so dass in diesem Fall nach Abschluss der Fehlererkennungsphase 21b direkt die Fehlerortungsphase 21d folgt.




 
Previous Patent: WINDSCREEN WIPER DEVICE

Next Patent: POWER SUPPLY SYSTEM