DE19514695C1

DE19514695C1 - Method for performing distance measurements on an electrical high-voltage transmission line

Info

Publication number: DE19514695C1
Application number: DE1995114695
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Jurisch
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: WO1996032653A1

Abstract

The invention concerns a method for the measurement of distances along a high-tension power-transmission line, the method calling for measurements of the current and voltage in the power-transmission line to be digitalized and then processed in a digital filter unit consisting of two linear-phase, non-recursive FIR filters of a first type and at least one FIR filter of a second type. The individual weighting factors are predetermined independently, and an error correction carried out by applying a correction factor. From the processed output values from the filter unit, a computing unit determines parameters from which an impedance indicating the distance to the location of a fault can be deduced. In order to be able to obtain accurate distance measurements in the shortest possible time, the invention calls for the digitized measured values (u, x) in the filter unit (1) to be processed in two further FIR filters (8, 9) of a third type to determine, from the output signals from these FIR filters (8, 9), a reference impedance (Zv). The distance measurement is considered to be sufficiently accurate if the difference betweem the measured impedance (Zm) and the reference impedance (Zv) is less than a given value.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchführen von Distanzmessungen an einer elektrischen Hochspannungsüber tragungsleitung, bei dem aus Strom und Spannung der Hochspan nungsübertragungsleitung abgeleitete Meßgrößen digitalisiert und in einer digitalen Filtereinheit bewertet werden, die aus zwei linearphasigen, nichtrekursiven Digitalfiltern (FIR-Fil ter) eines ersten Typs mit einem Amplitudengang H(jω) und Gewichtsfaktoren h_i und aus mindestens einem FIR-Filter eines zweiten Typs mit einem Amplitudengang G(jω) und Gewichtsfak toren g_i besteht, die einzelnen Gewichtsfaktoren h_i, g_i der FIR-Filter frei vorgegeben werden, die Fehlerkorrektur mit tels eines Korrekturfaktors durchgeführt wird, der als Quotient aus den Amplitudengängen H(Ω), G(Ω) der FIR-Filter ersten und zweiten Typs gebildet wird, die in das Betriebs verhalten der Hochspannungsübertragungsleitungen beschrei benden Differentialgleichungen vorkommenden Parameter aus den bewerteten Ausgangsgrößen in einer Recheneinheit ermittelt werden und daraus eine die jeweilige Distanz von einem Meßort zu einer Fehlerstelle angebende Meßimpedanz bestimmt wird und bei der Bewertung entstandene Fehler durch eine Fehlerkorrektur be rücksichtigt werden.The invention relates to a method for performing distance measurements on an electrical high-voltage transmission line, in which measured variables derived from the current and voltage of the high-voltage transmission line are digitized and evaluated in a digital filter unit, which consists of two linear-phase, non-recursive digital filters (FIR filters). a first type with an amplitude response H (jω) and weight factors h _i and from at least one FIR filter of a second type with an amplitude response G (jω) and weight factors g _i , the individual weight factors h _i , g _{i of} the FIR filter be freely specified, the error correction is carried out by means of a correction factor, which is formed as a quotient from the amplitude responses H (Ω), G (Ω) of the FIR filters of the first and second types, which occur in the operating behavior of the high-voltage transmission lines describing differential equations Parameters from the evaluated output gr SEN are determined in a computing unit, and is determined from a respective distance from a measuring site to a fault indicating and measuring impedance resulting in the evaluation errors by an error correction be be taken into account.

Ein derartiges Verfahren ist aus der europäischen Patent schrift EP 0 284 546 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird durch den Einsatz digitaler Filter eine vergleichsweise hohe Genauigkeit bei der Messung der Distanz bzw. der Impedanz bis zu einer Fehlerstelle auf der Hochspannungsübertragungslei tung bei Verwirklichung in einem Distanzschutzgerät erreicht. Dabei sind durch Wahl entsprechend schneller Rechner relativ kurze Rechenzeiten erzielbar. Allerdings sind dabei FIR-Fil ter mit einem nicht zu hohen Zählergrad zu wählen, weil sonst die Auswertezeit bzw. die Zeit bis zur Ausgabe eines Auslöse signals an einen Schalter in der Hochspannungsleitung zu lang wird. Dies geht etwas zu Lasten der Meßgenauigkeit, so daß mit Meßwiederholung gearbeitet werden muß, um Fehlauslösungen zu vermeiden. Die Verwendung der FIR-Filter garantiert aller dings, daß die erforderlichen Filtereigenschaften vorhanden sind. Die Verwendung solcher Filter ermöglicht zudem eine äußerst einfache Fehlerkorrektur, die darüber hinaus einfach in den Verfahrensablauf integrierbar ist.Such a method is from the European patent document EP 0 284 546 B1 known. With this procedure a comparatively high level thanks to the use of digital filters Accuracy when measuring distance or impedance up to to a fault location on the high-voltage transmission line achieved in a distance protection device. By choosing correspondingly faster computers are relative short computing times can be achieved. However, there are FIR fil ter with a not too high counter grade, because otherwise the evaluation time or the time until a trigger is issued signals to a switch in the high-voltage line too long becomes. This is somewhat at the expense of measuring accuracy, so that repeated measurement must be used to avoid false triggers to avoid. The use of the FIR filter guarantees everyone dings that the necessary filter properties exist are. The use of such filters also enables extremely simple error correction that is also simple can be integrated into the process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Durchführen von Distanzmessungen an einer Hochspannungsüber tragungsleitung mit FIR-Filtern anzugeben, mit dem sich in optimal kurzer Zeit genaue Distanzmessungen durchführen las sen.The invention has for its object a method for Carrying out distance measurements on a high voltage transfer management line with FIR filters, with which in read optimal distance measurements in an optimally short time sen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Verfahren der ein gangs angegebenen Art erfindungsgemäß die digitalisierten Meßgrößen in der Filtereinheit in zwei weiteren FIR-Filtern eines dritten Typs mit einem Amplitudengang F(jω) und Ge wichtsfaktoren f_i bewertet, wobei die Filter der verschiede nen Typen den BedingungenTo solve this problem, the digitized measured variables in the filter unit in two further FIR filters of a third type with an amplitude response F (jω) and weight factors f _{i are} evaluated according to the invention in a method of the type specified above, the filters of the various types the conditions

G(jω) = j · sinΩ . H(jω)
F(jω) = j · sinΩ · G(jω)G (jω) = jsinΩ. H (jω)
F (jω) = jsinΩG (jω)

mit Ω = T_A · ω_Netz genügen, in denen T_A die Abtastzeit und ω_Netz die Netzfrequenz der Hochspannungsübertragungsleitung bezeichnen; mit den Ausgangssignalen der weiteren FIR-Filter wird eine Vergleichsimpedanz bestimmt und die Distanzmessung wird als hinreichend genau betrachtet, wenn sich die Diffe renz zwischen der Meßimpedanz und der Vergleichsimpedanz in nerhalb einer vorgegebenen Größe hält. Unter vorgegebener Größe ist dabei ein Bruchteil der jeweils aktuell ermittelten Meßimpedanz zu verstehen, so daß - unabhängig von der jeweils gemessenen Meßimpedanz - die zugelassene relative Differenz zwischen Meß- und Vergleichsimpedanz stets gleich groß ist. with Ω = T _A · ω _network are sufficient, in which T _{A is} the sampling time and ω _{network is} the _network frequency of the high-voltage transmission line; With the output signals of the other FIR filters, a comparison impedance is determined and the distance measurement is considered to be sufficiently accurate if the difference between the measurement impedance and the comparison impedance remains within a predetermined size. The predetermined size is to be understood as a fraction of the currently determined measurement impedance, so that - regardless of the measurement impedance measured in each case - the permissible relative difference between measurement and comparison impedance is always the same size.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß unter Umständen auf eine Meßwiederholung verzichtet werden kann, wenn mit der ersten Messung bereits eine Differenz zwischen Meß- und Vergleichsimpedanz festge stellt wird, die innerhalb einer vorgegebenen Größe liegt. Normalerweise können bei einem Distanzschutzverfahren nicht bei einem ersten in einem vorgegebenen Auslösepolygon liegen den Impedanzwert bereits Auslösebefehle erzeugt werden, weil dies als zu unsicher angesehen wird. Gemäß der Erfindung ist diese Unsicherheit durch das zeitlich parallele Bestimmen der Vergleichsimpedanz und durch die Differenzbildung von Meß- und Vergleichsimpedanz und Überwachung dieser Differenz beho ben.A major advantage of the method according to the invention is that under certain circumstances a repeat measurement can be omitted if already with the first measurement festge a difference between the measurement and comparison impedance is placed, which is within a predetermined size. Usually, a distance protection procedure cannot with a first one lie in a predetermined trigger polygon the impedance value already trigger commands are generated because this is considered too unsafe. According to the invention this uncertainty by determining the Comparative impedance and by the difference between measurement and Comparison impedance and monitoring of this difference beho ben.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn bei durch ein symmetrisches Zähler polynom (Gewichtsfaktorenverteilung h_i = h_n-i) mit geradem Zählergrad n beschreibbaren FIR-Filtern des ersten Typs und bei durch ein antisymmetrisches Zählerpolynom (Gewichtsfaktorenverteilung g_i = g_n-i) mit geradem Zählergrad n beschreibbaren FIR-Filter des zweiten Typs als weitere FIR- Filter solche Filter verwendet werden, die sich durch ein symmetrisches Zählerpolynom (Gewichtsfaktorenverteilung h_i = h_n-1) beschreiben lassen. Der Zählergrad n kann beliebig als gerade oder ungerade Zahl gewählt werden; wird er als gerade Zahl gewählt, wird die durch das Filter bewirkte Phasen drehung, für die der Zählergrad n/2 der ausschlaggebende Fak tor ist, mit einer ganzen Zahl multipliziert.According to an embodiment of the method according to the invention, it is advantageous if FIR filters of the first type that can be written by a symmetrical counter polynomial (weight factor distribution h _i = h _ni ) with an even counter degree n and when using an antisymmetric counter polynomial (weight factor distribution g _i = g _ni ) FIR filters of the second type that can be written with an even counter degree n can be used as further FIR filters, such filters that can be described by a symmetrical counter polynomial (weight factor distribution h _i = h _n-1 ). The numerator degree n can be chosen as an even or odd number; if it is chosen as an even number, the phase rotation caused by the filter, for which the degree n / 2 is the decisive factor, is multiplied by an integer.

Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen die Fig. 1 und 2, von denenTo further illustrate the process of the invention are used to Figs. 1 and 2, of which

Fig. 1A ein Ersatzschaltbild einer im Rahmen einer Distanz messung zu überwachenden Hochspannungsübertra gungsleitung, Fig. 1A is an equivalent circuit diagram of a measurement within a distance to be monitored Hochspannungsübertra supply line,

Fig. 1B die Darstellung der das Verhalten der Hochspan nungsübertragungsleitung beschreibenden normierten Differentialgleichung in einem Blockschaltbild, und FIG. 1B, the display of the behavior of the high-tension voltage transmission line described normalized differential equation in a block diagram, and

Fig. 2 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Blockschaltbild zeigt. Fig. 2 shows the principle of the method according to the invention in a block diagram.

Das in der Fig. 1A dargestellte Schema einer elektrischen Hochspannungsübertragungsleitung weist eine Netzinduktivität L_N und einen ohmschen Netzwiderstand R_N auf. Sie wird durch flossen von einem Netzstrom i_N; an den Klemmen des Hochspan nungsnetzes ist eine Netzspannung u_N abgreifbar. Die Größen i_N und u_N stellen die Ausgangsgrößen der Hochspannungsüber tragungsleitung dar. Die die Hochspannungsübertragungsleitung beschreibende Differentialgleichung lautet:The diagram of an electrical high-voltage transmission line shown in FIG. 1A has a network inductance L _N and an ohmic network resistance R _N. It is flowed through by a mains current i _N ; A mains voltage u _{N can be} tapped at the terminals of the high-voltage network. The quantities i _N and u _N represent the output quantities of the high-voltage transmission line. The differential equation describing the high-voltage transmission line is:

Diese Gleichung (1) läßt sich - wie in der oben genannten EP 0 284 546 im einzelnen beschrieben ist - in eine von Abso lutwerten unabhängige Darstellung überführen:This equation (1) can be - as in the above EP 0 284 546 is described in detail - in one of Abso Conversion of independent values:

Das Blockschaltbild zu der normierten Differentialgleichung (2) ist der Fig. 1B zu entnehmen. Aus der Gleichung (2) könnten die normierten Parameter a und b, die nun an die Stelle der absoluten Parameter L_N und R_N getreten sind, durch Messung der Größen u, x und zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten t₁ und t₂ bestimmt werden. Voraussetzung dafür ist, daß sich die Anordnung zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ in zwei voneinander unabhängigen Zuständen befindet.The block diagram for the standardized differential equation (2) can be found in FIG. 1B. From the equation (2) the normalized parameters a and b, which have now taken the place of the absolute parameters L _N and R _N , could be determined by measuring the quantities u, x and at two different times t 1 and t 2. The prerequisite for this is that the arrangement at times t 1 and t 2 is in two mutually independent states.

Wie der EP 0 284 546 B1 außerdem zu entnehmen ist, werden die Parameter a und b ohne Bildung der ersten zeitlichen Ablei tung des normierten Stromes x ermittelt, indem die normierten Ausgangsgrößen u und x in einer Filtereinheit bewertet wer den. Eine solche Bewertung erfolgt durch Faltungsoperationen (symbolisch mit * im Blockschaltbild gemäß Fig. 2 dargestellt). Die normierte Ausgangsgröße u wird dazu über einen Analog-Digital-Umsetzer 2 (vgl. Fig. 2), der die Aus gangsgröße u nach Abtastung mit einer entsprechend gewählten Abtastzeit T_A in eine Zahlenfolge u_k umsetzt, einem digitalen FIR-Filter 3 zugeführt. Dieses digitale FIR-Filter 3 gehört zu einem ersten Filtertyp und weist eine symmetrische Ge wichtsfaktorenverteilung h_i = h_n-i auf. An dem Ausgang des digitalen FIR-Filters 3 entsteht eine Folge y_k, deren Abbil dungsvorschrift lautet:As can also be gathered from EP 0 284 546 B1, the parameters a and b are determined without forming the first temporal derivative of the standardized current x by evaluating the standardized output variables u and x in a filter unit. Such an evaluation is carried out by convolution operations (symbolically represented by * in the block diagram according to FIG. 2). For this purpose, the standardized output variable u is fed to a digital FIR filter 3 via an analog-digital converter 2 (cf. FIG. 2), which converts the output variable u into a number sequence u _k after sampling with a correspondingly selected sampling time T _A . This digital FIR filter 3 belongs to a first filter type and has a symmetrical weight factor distribution h _i = h _ni . At the output of the digital FIR filter 3 , a sequence y _k arises, the imaging rule of which is:

Weiterhin wird nach entsprechender Abtastung in einem weite ren Analog-Digital-Umsetzer 4 die normierte Ausgangsgröße x umgesetzt und die entstandenen Werte x_k einem digitalen FIR- Filter 5 zugeführt, das ebenfalls zum ersten Filtertyp gehört und dessen Gewichtsfaktorenverteilung identisch ist mit der des digitalen FIR-Filters 3; an dessen Ausgang wird eine Folge w_k erzeugt, die beschrieben ist mit:Furthermore, after appropriate scanning in a further analog-digital converter 4, the standardized output variable x is converted and the resulting values x _{k are} fed to a digital FIR filter 5 , which also belongs to the first filter type and whose weight factor distribution is identical to that of the digital FIR -Filters 3 ; a sequence w _{k is} generated at its output, which is described with:

Außerdem werden die abgetasteten Werte x_k einem digitalen FIR-Filter 6 zugeführt, das einem zweiten Typ angehört, des sen Gewichtsfaktorenverteilung g_i = g_n-i · lautet.In addition, the sampled values x _{k are} fed to a digital FIR filter 6 , which belongs to a second type whose weight factor distribution is g _i = g _ni ·.

Am Ausgang dieses digitalen FIR-Filters 6 entsteht eine Folge v_k, deren Abbildungsvorschrift lautet:At the output of this digital FIR filter 6 there is a sequence v _k , the mapping rule of which is:

Die durch die FIR-Filter 3, 5 und 6 erzeugten Ausgangsfolgen y_k, v_k und w_k werden gemäß der Lehre nach der EP 0284 546 B1 so miteinander verknüpft, daß sie der aus der normierten Dif ferentialgleichung (1) abgeleiteten Differentialgleichung (4) genügen:The output sequences y _k , v _k and w _k generated by the FIR filters 3 , 5 and 6 are linked to one another in accordance with the teaching of EP 0284 546 B1 in such a way that they correspond to the differential equation (4) derived from the standardized differential equation (1) ) are sufficient:

y_k = a · v_k + b · w_k (4)y _k = av _k + bw _k (4)

Es handelt sich bei Gleichung (4) um eine von Ableitungen der Ausgangsgröße x freie lineare Gleichung mit zwei Unbekannten, nämlich den Parametern a und b, welche durch Ermitteln, Be werten und Einsetzen von jeweils zwei linear voneinander un abhängigen Abtastwerten von u und x lösbar ist und aus denen sich eine Meßimpedanz Z_m bestimmen läßt. Im einzelnen wird dazu nochmals auf die EP 0 284 546 B1 verwiesen.Equation (4) is a linear equation free of derivatives of the output variable x with two unknowns, namely parameters a and b, which can be solved by determining, evaluating and inserting two linearly independent samples of u and x and from which a measuring impedance Z _m can be determined. In particular, reference is again made to EP 0 284 546 B1.

Gemäß der Erfindung wird die Zahlenfolge u_k durch eine Fal tungsoperation in einem weiteren FIR-Filter 8 eines dritten Typs mit Gewichtsfaktoren f_i bewertet, an dessen Ausgang Werte m_k entstehen, die sich durch folgende Gleichung be schreiben lassen:According to the invention, the number sequence u _k is evaluated by a folding operation in a further FIR filter 8 of a third type with weight factors f _i , at the output of which values m _k arise which can be described by the following equation:

Ferner wird mittels eines weiteren FIR-Filters 9 des dritten Typs die Zahlenfolge x_k bewertet; es ergibt sich folgende Ausgangsgröße n_k:Furthermore, the number sequence x _{k is} evaluated by means of a further FIR filter 9 of the third type; the following output variable n _k results:

Werden nunmehr entsprechend dem Vorgehen zur Ermittlung der Meßimpedanz Z_m nach der EP 0 284 546 B1 in einem Rechenbaustein 10 zum Bestimmen einer Vergleichsimpedanz Z_v die Werte m_k, n_k und v_k weiterverarbeitet, dann ergibt sich zeitparallel zur Meßimpedanz die Vergleichsimpedanz Z_v. Are now in accordance with the procedure for determining the measuring impedance Z _m according to EP 0284546 B1 in a computing block 10 for determining a reference impedance Z _v the values of m _k, n _k and v further processed _k, then the comparison impedance results in time-parallel to the measuring impedance Z _v .

Die diesen beiden Impedanzen Z_m und Z_v entsprechenden Größen am Ausgang des Rechenbausteins 10 werden einem Differenzbild ner 11 zugeführt, dem eine Grenzwertstufe 12 nachgeordnet ist. Gilt z. B.The quantities corresponding to these two impedances Z _m and Z _v at the output of the arithmetic module 10 are fed to a difference former 11 , which is followed by a limit value stage 12 . Applies e.g. B.

| Z_m - Z_v | < 0,1 · Z_m, (7)| Z _m - Z _v | <0.1Z _m , (7)

dann wird die Meßimpedanz als hinreichend genau ermittelt be trachtet und sofort - ohne Abwarten eines weiteren Meßwertes, also ohne Meßwiederholung - ein Auslösesignal erzeugt.then the measuring impedance is determined to be sufficiently precise tries and immediately - without waiting for another measured value, So without repeated measurement - a trigger signal is generated.

Claims

1. A method for performing distance measurements on an electrical high-voltage transmission line, in which

- Measured variables derived from the current and voltage of the high-voltage transmission line are digitized and evaluated in a digital filter unit ( 1 ), which consists of two linear-phase, non-recursive digital filters (FIR filters) of a first type ( 3.5 ) (with an amplitude response H (jω) and Weight factors h _i ) and at least one FIR filter of a second type ( 6 ) (with an amplitude response G (jω) and weight factors g _i ),
the individual weighting factors (h _i , g _i ) of the FIR filters ( 3 , 5 , 6 ) are freely specified,
the error correction is carried out by means of a correction factor (k _c ) which is formed as a quotient from the amplitude responses (H (Ω), G (Ω)) of the FIR filters of the first and second type ( 3 , 5 , 6 ),
- The parameters occurring in the operating behavior of the high-voltage transmission lines are determined from the evaluated output variables in a computing unit and from this a measuring impedance indicating the respective distance from a measuring point to a fault location is determined and
- errors in the evaluation are taken into account by an error correction,

characterized in that

- the digitized measured variables (u, x) in the filter unit ( 1 ) are evaluated in two further FIR filters ( 8 , 9 ) of a third type (with an amplitude response F (jω) and weighting factors f _i ),
- - The filters of the different types meet the conditions G (jω) = j · sinΩ · H (jω)
  F (jω) = jsinΩ G (jω) with
  Ω = T _A · ω _network are sufficient, in which T _{A is} the sampling time
  and ω _network denote the _network frequency of the high-voltage transmission line,
- A comparison impedance (Z _v ) is determined with the output signals (m _k , n _k ) of the further FIR filters ( 8 , 9 ) and
- The distance measurement is considered to be sufficiently accurate if the difference between the measurement impedance (Z _m ) and the comparison impedance (Z _v ) is within a predetermined size.

2. The method according to claim 1, characterized in that when using a symmetric counter polynomial (weight factor distribution h _i = h _ni ) with an even counter degree n FIR filters ( 3 , 5 ) of the first type and by an antisymmetric counter polynomial (weight factor distribution g _i = g _ni ) FIR filters ( 6 ) of the second type that can be written with an even counter degree n can be used as further FIR filters ( 8 , 9 ) such filters that can be described by a symmetrical counter polynomial (weight factor distribution f _i = f _ni ).