Verfahren zum Erfassen des Stromes in einem Leiter eines Wechselstrom-Energieübertragungsnetzes

Es ist seit langem bekannt, den Strom in einem Leiter eines Wechselstrom-Energieübertragungsnetzes mittels eines Strom¬ wandlers zu erfassen, dessen Primärwicklung von dem Strom in dem Leiter durchflössen ist und an dessen Sekundärwicklung eine Einrichtung zum Erfassen des Stromes angeschlossen ist. Bei dieser Einrichtung kann es sich um eine Meßeinrichtung handeln oder um eine Schutzeinrichtung, wie sie in Wechsel¬ strom-Energieübertragungsnetzen zum Erfassen und Lokalisieren von Kurzschlüssen üblich ist. Ebenso ist es seit geraumer Zeit bekannt, daß eine Verarbeitung der von der Sekundärwick¬ lung des Stromwandlers bereitgestellten, dem Strom proportio¬ nalen Meßgröße auf digitale Weise erfolgen kann, wozu Voraus¬ setzung ist, daß aus der Meßgröße mittels einer Abtastein¬ richtung (mit Analog-Digital-Wandler) digitale Abtastwerte gebildet werden. Diese digitalen Abtastwerte werden dann in einer digitalen Meßeinrichtung oder einer digitalen Schutz¬ einrichtung weiter verarbeitet.

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Erfassen des Stromes in einem Leiter eines Wechselstrom-Energieübertra- gungsnetzes aus, bei dem mittels eines Stromwandlers eine dem Strom proportionale Meßgröße gewonnen wird und aus der Me߬ größe mittels einer Abtasteinrichtung digitale Abtastwerte gebildet werden, und stellt sich die Aufgabe, dieses Verfah- ren so auszugestalten, daß hinsichtlich eines sekundärseiti- gen Stromes eine Unterscheidung dahingehend möglich ist, ob der erfaßte Strom auf einem primärseitig im Leiter des Wech¬ selstrom-Energieübertragungsnetzes fließenden Strom oder auf einem bei unterbrochenem Strom im Leiter von dem Stromwandler hervorgerufenen, abklingenden Gleichstromglied beruht.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei dem oben aufgeführten Verfahren erfindungsgemäß aus den Abtastwerten mittels minde¬ stens zweier FIR-Filter zwei zueinander orthogonale, erste Meßhilfsgrößen gebildet; aus den zwei Meßhilfsgrößen und zwei weiteren zueinander orthogonalen Meßhilfsgrößen, die aus einer vor einer Viertelperiode des zu messenden Stromes gewonnenen älteren Meßgröße gebildeten älteren Abtastwerten erzeugt sind, wird in einer Auswerteanordnung einerseits ein der Amplitude des Stromes entsprechender Meßwert und anderer- seits ein weiterer Meßwert erzeugt, der dem Differenzwinkel zwischen der Meßgröße und der älteren Meßgröße entspricht, und aus den beiden Meßwerten wird in einer Bewertungsanord¬ nung ein AusgangsSignal erzeugt, wenn die Meßwerte vorgege¬ bene Schwellwerte überschreiten. Mit FIR-Filter sind dabei sog. Finite-Impulse-Response-Filter bezeichnet, wie sie z.B. in "Elektronik" 2/23.1.1987, Seiten 89 bis 96 beschrieben sind.

Ferner ist darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch mit Meßhilfsgrößen ausgeübt werden kann, die nicht orthogonal zueinander sind; allerdings ist dann der Aufwand bei der Durchführung des Verfahrens erheblich größer.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß jederzeit festgestellt werden kann, ob ein sekundärseitig erfaßter Strom auf einen Strom durch den Leiter des Wechselstrom-Energieübertragungsnetzes zurückzu¬ führen ist oder auf das abklingende Gleichstromglied des Stromwandlers bei tatsächlich unterbrochenem Stromfluß im Leiter.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich als vorteil¬ haft erwiesen, wenn aus den Abtastwerten in einem digitalen Hochpaß zunächst eine gefilterte Meßgröße gebildet wird und wenn aus der gefilterten Meßgröße mittels der mindestens zwei FIR-Filter die zwei zueinander orthogonalen Meßhilfsgrößen gebildet werden. Die Bildung der gefilterten Meßgröße hat

nämlich den Vorteil, daß durch den Hochpaß der Abklingvorgang des Stromwandlers zeitlich begrenzt werden kann; darüber hinaus lassen sich mit dem Hochpaß in den Abtastwerten womög¬ lich vorhandene Offsetgrößen ausfiltern.

Die Bildung der zwei weiteren Meßhilfsgrößen kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in unterschiedlicher Weise erfol¬ gen. So wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die zwei weiteren Meßhilfsgrößen zur selben Zeit wie die ersten Meß- hilfsgrößen gebildet werden, indem die älteren Abtastwerte mindestens zwei weiteren FIR-Filtern zugeführt werden. In diesen zwei weiteren FIR-Filtern werden dann aus den älteren Abtastwerten in entsprechender Weise wie mit den aktuellen Abtastwerten die zwei weiteren zueinander orthogonalen Meß- hilfsgrößen gebildet.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den älteren Abtastwerten in einem weiteren Hochpaß vorteilhafterweise zunächst eine weitere gefilterte Meßgröße gebildet, und es werden aus der weiteren gefilterten Meßgröße mittels der mindestens zwei weiteren FIR-Filter die zwei weiteren Meßhilfsgrößen gebildet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens werden die zwei weiteren Meßhilfsgrö¬ ßen mittels einer Verzögerungsanordnung erzeugt, die ein- gangsseitig mit den zwei ersten Meßhilfsgrößen beaufschlagt ist und aufgrund ihrer einer Viertelperiode des Stromes entsprechenden Verzögerung ausgangsseitig die zwei weiteren Meßhilfsgrößen nach einer Viertelperiode des Stromes zur

Verfügung stellt. Bei dieser Ausführungsvariante des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens kann also in vorteilhafter Weise auf die zwei weiteren FIR-Filter zur Bildung der weiteren Me߬ hilfsgrößen verzichtet werden, wodurch in vorteilhafter Weise der Aufwand bei der Durchführung des Verfahrens verringert wird.

Die insgesamt vier Meßhilfsgrößen können bei dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren in der Auswerteanordnung in unterschiedli¬ cher Weise ausgewertet werden. Im Hinblick auf einen geringen Aufwand wird es jedoch als vorteilhaft angesehen, wenn die Meßhilfsgrößen in der Auswerteanordnung paarweise miteinander multipliziert werden unter Bildung von vier Zwischengrößen und jeweils zwei Zwischengrößen in einem Addierer unter Bildung von zwei Hilfsgrößen addiert werden; die eine Hilfs¬ größe wird auf ihr Vorzeichen und die andere Hilfsgröße daraufhin untersucht, ob sie einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet; bei Vorliegen beider Bedingungen wird ein Zwischensignal an die Bewertungsanordnung abgegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhafterweise die Abtastwerte einerseits direkt und andererseits nach

Verzögerung um eine einer Viertelperiode des Stromes entspre¬ chenden Zeit zwei FIR-Filtern unter Bildung von vier Filter- ausgangsgrößen zugeführt werden, die vier Filterausgangsgrö¬ ßen einer Auswerteanordnung zugeführt werden, die ausgangsseitig einen der Amplitude des Stromes entsprechenden Meßwert und einen weiteren Meßwert erzeugt, der dem Diffe¬ renzwinkel zwischen der Meßgröße und einer vor einer Viertel¬ periode des Stromes gebildeten, älteren Meßgröße entspricht, und aus den beiden Meßwerten in einer Bewertungsanordnung ein Ausgangssignal erzeugt wird, das das alleinige Auftreten eines abklingenden Gleichstromgliedes als Meßgröße nach einer Stromunterbrechung kennzeichnet.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Verfahrens zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe werden die digitalen Abtastwerte einerseits direkt und andererseits nach Verzögerung um eine einer Viertelperiode des Stromes entspre¬ chenden Zeit zwei FIR-Filtern unter Bildung von vier Filter- ausgangsgrößen zugeführt, die einer Auswerteanordnung zuge¬ führt werden, die ausgangsseitig einen der Amplitude des Stromes entsprechenden Meßwert und einen weiteren Meßwert

erzeugt, der dem Dif erenzwinkel zwischen der Meßgröße und einer vor einer Viertelperiode des Stromes gebildeten älteren Meßgröße entspricht; aus den beiden Meßwerten wird in einer Bewertungsanordnung ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Meßwerte vorgegebene Schwellwerte überschreiten.

Mit besonderem Vorteil läßt sich das erfindungsgemäße Verfah¬ ren bei einer Einrichtung zur Überwachung eines im Zuge des Leiters des Wechselstrom-Energieübertragungsnetzes angeordne- ten Leistungsschalters einsetzen, wenn erfindungsgemäß eine Logikschaltung der Einrichtung außer mit einem Auslösesignal einer dem Leistungsschalter zugeordneten Schutzeinrichtung auch mit dem Auslösesignal der Bewertungsanordnung beauf¬ schlagt wird und wenn von der Logikschaltung eine Schalter- Versager-Meldung abgegeben, wenn beim Vorliegen eines Auslö¬ sesignals von der Bewertungsanordnung ein Ausgangssignal abgegeben wird. Diese Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens führt nämlich in vorteilhafter Weise dazu, daß ein bei Stromunterbrechung im Leiter durch die vorhandene Eisenkern- Restmagnetisierung des Stromwandlers verursachtes aperiodi¬ sches Gleichstromglied von einem fortdauernd fließenden Strom im Leiter unterschieden werden kann. Mit der Abgabe einer Schalter-Versager-Meldung muß daher nicht eine vorbestimmte Zeit abgewartet werden (Abklingen des Gleichstromgliedes), um eine sichere Erkenntnis über ein Schalterversagen zu gewin¬ nen. Es kann somit schnell eine derartige Schalter-Versager- Meldung abgegeben werden, woraufhin dann andere Schalter des Wechselstrom-Energieübertragungsnetzes für den gestörten Leistungsschalter die Abschaltung vornehmen können.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist aber keinesfalls auf diesen Anwendungsfall beschränkt; auch bei einem Sammelschienenschutz, wo die Abschaltung eines Abzwei¬ ges ebenfalls ein abklingendes Gleichstromglied in dem zuge- ordneten Stromwandler verursacht, so daß die Stromsummenbil¬ dung des Sam elschienenschutzes einen Fehler aufweist, ist

das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil einsetzbar, weil dadurch die Genauigkeit bei der Fehlererfassung erhöht wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in Figur 2 ein Signalverlauf des Stromes im Leiter eines Wechselstrom-Energieübertragungsnetzes, in Figur 3 eine Darstellung komplexer Zeiger des Stromes und ein Zeigerbild, in Figur 4 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur

Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in Figur 5 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung einer zusätzlichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens und in Figur 6 der im Zusammenhang mit der Erfindung wesentliche Teil einer Enrichtung zur Überwachung eines

Leistungsschalters wiedergegeben. Dabei sei ausdrücklich angemerkt, daß die Blockschaltbilder nur gewählt sind, um die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern zu können; zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt eine Datenverarbei¬ tungsanlage eingesetzt.

Wie Figur 1 erkennen läßt, ist ein Leiter 1 eines im übrigen nicht weiter dargestellten Wechselstrom-Energieversorgungs- netzes von einem Strom J durchflössen. Im Zuge des Leiters 1 liegt die Primärwicklung 2 eines Stromwandlers 3 sowie ein in der Figur nur schematisch dargestellter Leistungsschalter 4. An die Sekundärwicklung 5 des Stromwandlers 3 ist eine Abta¬ steinrichtung 6 mit integriertem Analog-Digital-Wandler angeschlossen.

--J

weitere Vorkehrungsmaßnahmen benachbarte Leistungsschalter aktiviert werden. Um dies zu verhindern, wartet man bisher eine gewisse Zeit ab, in der das Gleichstromglied normaler¬ weise abgeklungen ist, und überprüft dann noch einmal den Betrag des Stromes J in bezug auf den Schwellwert. Damit ergibt sich aber eine relativ lange Wartezeit.

Dem wird durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeholfen, indem die am Ausgang der Abtasteinrichtung 6 anstehenden digitalen Abtastwerte X ₍ ] ₎ zunächst einem digita¬ len Hochpaß 7 zugeführt werden, in dem der Abklingvorgang des durch den Stromwandler 3 hervorgerufenen Gleichstromgliedes begrenzt wird und in den digitalen Abtastwerten ₍ k ₎ vorhan¬ dene Offsetgrößen ausgefiltert werden. Am Ausgang des Hoch- passes 7 entsteht dann eine gefilterte Meßgröße Mg _] _. Diese gefilterte Meßgröße Mgi wird einem FIR-Filter 8 und einem weiteren FIR-Filter 9 zugeführt. Beide FIR-Filter 8 und 9 sind so bemessen, daß sie an ihren Ausgängen Meßhilfsgrößen Mjji und M^2 erzeugen, die zueinander orthogonal sind. Die Dimensionierung der beiden FIR-Filter 8 und 9 ist dabei so gewählt, daß die Meßhilfsgröße M^i bei einem sinusförmigen Eingangssignal der Abtasteinrichtung 6 mit der Nennfrequenz, beispielsweise 50 Hz bei einem Wechselstrom-Energieversor¬ gungsnetz, genau um 90°phasengedreht gegenüber der Meßhilfs- große Mj2 des FIR-Filters 9 ist; außerdem ist dafür gesorgt, daß beide Meßhilfsgrößen M _n _ und Mj ₁ 2 gleiche Amplitude haben.

Diese Meßhilfsgrößen M^i und M^2 werden in Multiplizierern 10 und 11 einer Auswerteanordnung 12 quadriert und anschließend in einem Addierer 13 aufsummiert. Am Ausgang des Addierers 13 ergibt sich dann ein Betragssignal A, die einer Bewertungsan¬ ordnung 14 zugeführt wird.

Außerdem ist mit den Meßhilfsgrößen M^]_ und M _n 2 jeweils ein Eingang von vier Multiplizierern 15, 16, 17 und 18 beauf¬ schlagt, die mit ihrem jeweils weiteren Eingang mit den Ausgängen von zwei weiteren FIR-Filtern 19 und 20 verbunden

sind. Diese weiteren FIR-Filter 19 und 20 sind ebenso dimen¬ sioniert wie die FIR-Filter 8 und 9 und erzeugen demzufolge bei einganσsseitiger Beaufschlagung mit einer weiteren Meß- hilfsgröße M _g 2 an ihren Ausgängen weitere Meßhilfsgrößen Mh3 und Mft4, die gleiche Amplitude haben, jedoch in ihrer Phase um 90° gegeneinander gedreht sind.

Die weitere Meßhilfsgröße M _g 2 ist aus den digitalen Abtast¬ werten ₍ k ₎ über eine Verzögerungsanordnung 21 und einen weiteren Hochpaß 22 gewonnen. Die Verzögerungsanordnung 21 ist dabei so ausgelegt, daß sie an ihrem Ausgang nach einer Zeitverzögerung von einer Viertelperiode des Stromes J die vor einer Viertelperiode aktuellen Abtastwerte als ältere digitale Abtastwerte X ₍ ]c- _m) abgibt. Dies bedeutet, daß von den einen FIR-Filtern 8 und 9 jeweils aktuelle, digitale

Abtastwerte X ₍ ]ς ₎ und zur selben Zeit von den zwei weiteren FIR-Filtern 19 und 20 um eine Viertelperiode des Stromes J ältere, digitale Abtastwerte X ₍ ]- _rrι) verarbeitet werden.

Die weiteren Meßhilfsgrößen M _j -^ und Mj ₁ 4 werden - wie oben bereits angedeutet - dem jeweils weiteren Eingang der Multi¬ plizierer 15, 16, 17 und 18 in einer Weise zugeführt, wie es aus der Figur 1 hervorgeht. Es bildet sich somit am Ausgang des Multiplizierers 15 eine Zwischengröße Z]_, die sich durch folgende Gleichung (1) beschreiben läßt:

^z l = M _h2 M _h4 (1)

Dabei lassen sich M^2 sowie M^ durch die Gleichungen (2) und (3) wie folgt darstellen:

M _h 2 = G*X _(k) ⁽ 2)

M _h4 - G*X _(k _ _m) (3)

Dabei bezeichnet * eine Faltungsoperation und G die Ubertra- gungsfunktion des FIR-Filters 9 bzw. des weiteren FIR-Filters

20.

Entsprechend lassen sich die Zwischengröße Z2 am Ausgang des Multiplizierers 16, die Zwischengröße Z3 am Ausgang des Multiplizierers 17 und die Zwischengröße Z4 am Ausgang des Multiplizierers 18 durch folgende Gleichungen (4) bis (8) beschreiben:

Z ₂ = M _h2 x M _h3 (4)

Z3 = Mhi ^{x M} h3 ^{und (5)}

Z4 = M^i x M^4 mit (6)

M _hl = F*X _(k) und (7)

M _h 3 = F*X _(k _ _m) . (8)

Darin bezeichnet F die Übertragungsfunktion des FIR-Filters 8 bzw. des weiteren FIR-Filters 19.

Die Zwischengrößen Z und Z3 werden einem weiteren Addierer 24a zugeführt; entsprechend wird mit den Zwischengrößen Z2 und Z4 ein zusätzlicher Addierer 24b beaufschlagt. Am Ausgang des weiteren Addierers 24a entsteht eine Hiifsgröße Hj_, während am Ausgang des -zusätzlichen Addierers 24b eine zu¬ sätzliche Hilfsgröße H2 abgegeben wird. Diese Hilfsgrößen H^ und H2 werden einer Schwellwerteinrichtung 23 zugeführt, die ausgangsseitig ein Winkelsignal B abgibt.

Dem insoweit beschriebenen Verfahren nach Figur 1 liegen folgende Überlegungen zugrunde: Durch die Gewinnung der Meßhilfsgrößen M _n und M^2 mittels der beiden FIR-Filter 8 und 9 und der nachgeordneten Multi¬ plizierer 10 und 11 sowie des Addierers 12 wird das Betrags-

Signal A gebildet, das bei sinusförmigem Verlauf des Stromes J im Leiter 1 bzw. im Sekundärstromkreis des Stromwandlers 3 ein Gleichsignal darstellt, das dem Quadrat der Amplitude des aktuellen Stromes im Sekundärkreis des Stromwandlers 3 ent¬ spricht. Dies kann mittels folgender Gleichung (9) veran¬ schaulicht werden:

A ( 9 )

In dieser Gleichung geben die Größen G und F wiederum die Ubertragungsfunktionen der FIR-Filter 8 und 9 wieder; ω ₀ bezeichnet die Kreisfrequenz des Stromes J und φ ₀ dessen

Phasenlage. Die Gleichung (9) kann auch folgenderweise ausge¬ drückt werden:

Ä ² = (G*X) ² + (F*X) (10)

Die Differenzwinkelmessung zwischen den digitalen Abtastwer¬ ten X _{( )} und X _(k -χrι ₎ wird auf eine komplexe Division dieser beiden Signale zurückgeführt. Dies läßt sich durch folgende Gleichung (11) allgemein ausdrücken:

. gUte.-vύ (11)

Bei der Darstellung in Polarkoordinaten erkennt man, daß das Divsiionsergebnis der beiden komplexen Zeiger den Differenz¬ winkel der beiden Operanden als Argument hat. Da am Ausgang der FIR-Filter 8,9,19 und 20 die Signale X _(k) und X _(k - _m) nur in kartesischen Koordinaten zur Verfügung stehen, wird die Division auch in kartesischen Koordinaten vorgenommen. Dies läßt sich durch folgende Gleichung (12) allgemein ausdrücken:

a + jb _ (ac + bd) + j ( bc - ad ) c + j d Nenner

die rechte Darstellung von Figur 3 zeigt - jeweils im vierten Quadranten des dargestellten Zeigerbildes liegen. Dies bedeu¬ tet, daß der Imaginärteil der Zeiger ZG4 bis ZG7 seine Posi¬ tion im wesentlichen nicht ändert, wenn ein abklingendes Gleichstromglied erfaßt wird. Dies wird in der Schwellwertan¬ ordnung 23 ausgewertet.

In der nachgeordneten Bewertungsanordnung 14 wird das Be¬ tragssignal A in.einem Komparator 25 daraufhin überprüft, ob ein vorgegebener Schwellwert P überschritten ist. Ist dies der Fall, dann wird an eine als UND-Glied ausgebildete Logik¬ schaltung 26 ein Signal abgegeben. An einem anderen Eingang der Logikschaltung 26 wird von der Schwellwertanordnung 23 das Winkelsignal B geliefert, wenn der Realteil des Zeigers positiv und der Imaginärteil des Zeigers < tangens60° x

Realteil ist, wie oben ausführlich erläutert worden ist. Dies bedeutet, daß dann kein abklingendes Gleichstromglied erfaßt ist, so daß dann am Ausgang 27 der Logikschaltung 26 eine Schalter-Versager-Meldung erzeugt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind mit der Aus¬ führungsform nach Figur 1 übereinstimmende Bausteine mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist zu erkennen, daß im Vergleich zu der Ausführungsform nach Figur 1 hier auf die zwei weiteren FIR-Filter verzichtet ist. Statt dessen werden die beiden weiteren Meßhilfsgrößen M^3 und M^4 mittels einer Verzögerungsschaltung 30 erzeugt, die für eine Verzögerung der Ausgangssignale (Meßhilfsgrößen M^i und M^2) der FIR- Filter 8 und 9 um eine einer Viertelperiode des Stromes J entsprechende Zeitdauer sorgt. Ansonsten arbeitet das Verfah¬ ren nach Figur 4 in gleicher Weise, wie es im Zusammenhang mit der Figur 1 ausführlich beschrieben worden ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist der Eingangsteil wiederum so ausgeführt wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 4, so daß diesbezüglich auch in der Figur 5

Cπ

π