WO1996032653A1 - Verfahren zum durchführen von distanzmessungen an einer elektrischen hochspannungsübertragungsleitung - Google Patents
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Definitions
- 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 is made up of two linear-phase, non-recursive digital filters (FIR-Fil ⁇ ter) of a first type with an amplitude response H (j ⁇ ) and weight factors h ⁇ and consists of at least one FIR filter of a second type with an amplitude response G (j ⁇ ) and weight factors g ⁇ , the individual weight factors hj_, g ⁇ der FIR filters are 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 ( ⁇ ), G ( ⁇ ) of the FIR filters of the first and second type, which in the operating behavior of the High-voltage transmission lines describing differential equations occurring parameters from the evaluated outputs variables are determined in a computing unit and a measuring impedance indicating the respective distance to
- the invention has for its object to provide a method for performing distance measurements on a high-voltage transmission line with FIR filters, with which accurate distance measurements can be carried out in an optimally short time.
- T___ denote the sampling time and ( net the network frequency of the high-voltage transmission line; a comparison impedance is determined with the output signals of the further FIR filters and the distance measurement is considered to be sufficiently accurate if the difference between the measurement impedance and holds the comparison impedance within a predefined size.
- the predefined 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 permitted relative difference between measurement and comparison impedance is always the same size.
- a major advantage of the method according to the invention is that it may be possible to dispense with repeated measurements if the first measurement already detects a difference between the measurement and comparison impedance that lies within a predetermined size.
- 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.
- FIG. 1A shows an equivalent circuit diagram of a high-voltage transmission line to be monitored as part of a distance measurement
- 1B shows the representation of the normalized differential equation describing the behavior of the high-voltage transmission line in a block diagram
- FIG. 2 shows the principle of the method according to the invention in a block diagram.
- FIG. 1A The diagram of an electrical high-voltage transmission line shown in FIG. 1A has a network inductance L f j and an ohmic network resistance R ⁇ . It is traversed by a mains current ijj; A mains voltage u ⁇ can be tapped at the terminals of the high-voltage network.
- the quantities ijj and uj represent the output quantities of the high-voltage transmission line.
- the differential equation describing the high-voltage transmission line is:
- Measurement of the quantities u, x and x can be determined at two different times t ⁇ and t2. The prerequisite for this is that the arrangement at times ti and t2 is in two mutually independent states.
- the parameters a and b are determined without forming the first time derivative of the standardized current x by the standardized ones
- Output variables u and x are evaluated in a filter unit.
- Such an evaluation is carried out by convolution operations (symbolically represented by * in the block diagram according to FIG. 2).
- the normalized output variable u is converted 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 ⁇ after sampling with a correspondingly selected sampling time T_ ⁇ fed.
- a sequence yj ⁇ is created, the imaging rule of which is:
- Equation (4) is a linear equation free of derivatives of the output quantity x with two unknowns, namely the parameters a and b, which is obtained by determining, evaluating and inserting two linearly independent samples of u and x is solvable and from which a measuring impedance Z m can be determined.
- the parameters a and b which is obtained by determining, evaluating and inserting two linearly independent samples of u and x is solvable and from which a measuring impedance Z m can be determined.
- a computing module 10 determines a comparison impedance Z v in accordance with the procedure for determining the measurement impedance Z m according to EP 0 284 546 B1 , then the comparison impedance Z v results in parallel to the measurement impedance.
- the variables 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.
- the measuring impedance is then considered to be sufficiently precisely determined and a trigger signal is generated immediately without waiting for another measured value, that is to say without repeating the measurement.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchführen von Distanzmessungen an einer elektrischen Hochspannungsübertragungsleitung, bei dem aus Strom und Spannung der Hochspannungsübertragungsleitung abgeleitete Messgrössen digitalisiert und in einer digitalen Filtereinheit bewertet werden, die aus zwei linearphasigen, nichtrekursiven FIR-Filtern eines ersten Typs und aus mindestens einem FIR-Filter eines zweiten Typs besteht. Die einzelnen Gewichtsfaktoren werden frei vorgegeben, und es wird eine Fehlerkorrektur mittels eines Korrekturfaktors durchgeführt. Aus den bewerteten Ausgangsgrössen der Filtereinheit werden in einer Recheneinheit Parameter ermittelt, aus denen eine die jeweilige Distanz zu einer Fehlerstelle angebende Messimpedanz bestimmt wird. Um in optimal kurzer Zeit genaue Distanzmessungen durchführen zu können, werden erfindungsgemäss die digitalisierten Messgrössen (u, x) in der Filtereinheit (1) in zwei weiteren FIR-Filtern (8, 9) eines dritten Typs bewertet, und es wird mit den Ausgangssignalen der weiteren FIR-Filter (8, 9) eine Vergleichsimpedanz (Zv) bestimmt. Die Distanzmessung wird als hinreichend genau betrachtet, wenn sich die Differenz zwischen der Messimpedanz (Zm) und der Vergleichsimpedanz (Zv) innerhalb einer vorgegebenen Grösse hält.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Durchführen von Distanz essungen an einer elektrischen Hochspannungsübertragungsleitung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchfuhren von Distanzmessungen an einer elektrischen Hochspannungsύber- tragungsleitung, bei dem aus Strom und Spannung der Hochspan- nungsύbertragungsleitung 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^ und aus mindestens einem FIR-Filter eines zweiten Typs mit einem Amplitudengang G(jω) und Gewichtsfak- toren g^ besteht, die einzelnen Gewichtsfaktoren hj_, g^ der FIR-Filter frei vorgegebenen 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 zu einer Fehlerstelle angebende Meßimpedanz bestimmt wird und bei der Bewertung entstandene Fehler durch eine Fehlerkorrektur be¬ rücksichtigt werden.
Ein derartiges Verfahren ist aus der europäischen Patent¬ schrift EP 0 284 546 Bl 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.
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.
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 fi bewertet, wobei die Filter der verschiede¬ nen Typen den Bedingungen G(jω) = j . sinΩ . H(jω) F(jω) = j . sinΩ . G(jω) mit Ω = T_^ . ©Netz genügen, in denen T___ die Abtastzeit und (üχetz 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.
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.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn bei durch ein symmetrisches Zähler¬ polynom (Gewichtsfaktorenverteilung h^ = hn_i) mit geradem Zählergrad n beschreibbaren FIR-Filtern des ersten Typs und bei durch ein antisymmetrisches Zählerpolynom (Gewichtsfaktorenverteilung g^ = gn-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^ = hn_ι.) 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.
Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen die Figuren 1 und 2, von denen
Figur IA ein Ersatzschaltbild einer im Rahmen einer Distanz¬ messung zu überwachenden Hochspannungsübertra- gungsleitung,
Figur 1B die Darstellung der das Verhalten der Hochspan- nungsübertragungsleitung beschreibenden normierten Differentialgleichung in einem Blockschaltbild, und Figur 2 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Blockschaltbild zeigt.
Das in der Figur 1A dargestellte Schema einer elektrischen Hochspannungsübertragungsleitung weist eine Netzinduktivität Lfj und einen ohmschen Netzwiderstand R^ auf. Sie wird durch- flössen von einem Netzstrom ijj; an den Klemmen des Hochspan- nungsnetztes ist eine Netzspannung u^ abgreifbar. Die Größen ijj und uj stellen die Ausgangsgrößen der Hochspannungsüber- tragungsleitung dar. Die die Hochspannungsübertragungsleitung beschreibende Differentialgleichung lautet:
r di , _-.
UN = LN — + RN IN (i: dt
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:
a x=-bx+u ( 2 )
Das Blockschaltbild zu der normierten Differentialgleichung (2) ist der Figur 1B zu entnehmen. Aus der Gleichung (2) könnten die normierten Parameter a und b, die nun an die Stelle der absoluten Parameter Ljj und R^ getreten sind, durch
Messung der Größen u, x und x zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten t^ und t2 bestimmt werden. Voraussetzung dafür ist, daß sich die Anordnung zu den Zeitpunkten ti und t2 in zwei voneinander unabhängigen Zuständen befindet.
Wie der EP 0 284 546 Bl 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_^ in eine Zahlenfolge u^ umsetzt, einem digitalen FIR-Filter 3 zugeführt. Dieses digitale FIR-Filter 3 gehört zu einem ersten Filtertyp und weist eine symmetrische Ge- wichtsfaktorenverteilung h^ = hn_i auf. An dem Ausgang des digitalen FIR-Filters 3 entsteht eine Folge yjς, deren Abbil¬ dungsvorschrift lautet:
k-i (3) ι=0
Weiterhin wird nach entsprechender Abtastung in einem weite¬ ren Analog-Digital-Umsetzer 4 die normierte Ausgangsgröße x umgesetzt und die entstandenen Werte xjς 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 wjζ erzeugt, die beschrieben ist mit: n
Wk = Σ hi ' Xk-i < 3 a > i=0
Außerdem werden die abgetasteten Werte xjς einem digitalen FIR-Filter 6 zugeführt , das einem zweiten Typ angehört , des¬ sen Gewichtsfaktorenverteilung gi = gn-i * lautet .
Am Ausgang dieses digitalen FIR-Filters 6 entsteht eine Folge Vfc , deren Abbildungsvorschrift lautet :
n v* = ∑ gi ' k-i ( 3fe ) i=0
Die durch die FIR-Filter 3,5 und 6 erzeugten Ausgangsfolgen vk» vk und wk werden gemäß der Lehre nach der EP 0284 546 Bl so miteinander verknüpft, daß sie der aus der normierten Dif¬ ferentialgleichung (1) abgeleiteten Differentialgleichung (4) genügen:
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 Zm bestimmen läßt. Im einzelnen wird dazu nochmals auf die EP 0 284 546 Bl verwiesen.
Gemäß der Erfindung wird die Zahlenfolge ujς durch eine Fal¬ tungsoperation in einem weiteren FIR-Filter 8 eines dritten Typs mit Gewichtsfaktoren f^ bewertet, an dessen Ausgang Werte m^ entstehen, die sich durch folgende Gleichung be¬ schreiben lassen: n ntk = Σ /,•• Uk-i (5) ι=0
Ferner wird mittels eines weiteren FIR-Filters 9 des dritten Typs die Zahlenfolge xjς bewertet; es ergibt sich folgende Ausgangsgröße n^:
Werden nunmehr entsprechend dem Vorgehen zur Ermittlung der Meßimpedanz Zm nach der EP 0 284 546 Bl in einem Rechenbaustein 10 zum Bestimmen einer Vergleichsimpedanz Zv die Werte jς, njς und v^ weiterverarbeitet , dann ergibt sich zeitparallel zur Meßimpedanz die Vergleichsimpedanz Zv .
Die diesen beiden Impedanzen Zm und Zv entsprechenden Größen am Ausgang des Rechenbausteins 10 werden einem Differenzbild¬ ner 11 zugeführt, dem eine Grenzwertstufe 12 nachgeordnet ist. Gilt z.B.
I Zm - Zv | < 0,1 . Zm, (7)
dann wird die Meßimpedanz als hinreichend genau ermittelt be- trachtet und sofort - ohne Abwarten eines weiteren Meßwertes, also ohne Meßwiederholung - ein Auslösesignal erzeugt.
Claims
1. Verfahren zum Durchführen von Distanzmessungen an einer elektrischen Hochspannungsübertragungsleitung, bei dem - aus Strom und Spannung der
Hochspannungsübertragungsleitung abgeleitete Meßgrößen digitalisiert und in einer digitalen Filtereinheit (1) bewertet werden, die aus zwei linearphasigen, nichtrekursiven Digitalfiltern (FIR-Filter) eines ersten Typs (3,5) (mit einem Amplitudengang H(jω) und
Gewichtsfaktoren h^) und aus mindestens einem FIR-Filter eines zweiten Typs (6) (mit einem Amplitudengang G(jω) und Gewichtsfaktoren g^) besteht,
- die einzelnen Gewichtsfaktoren (h^, gi) der FIR-Filter (3,5,6) frei vorgegebenen werden,
- die Fehlerkorrektur mittels eines Korrekturfaktors (kc) durchgeführt wird, der als Quotient aus den Amplitudengängen (H(Ω), G(Ω)) der FIR-Filter ersten und zweiten Typs (3,5,6) gebildet wird, - die in das Betriebsverhalten der
Hochspannungsübertragungsleitungen beschreibenden Differentialgleichungen vorkommenden Parameter aus den bewerteten Ausgangsgrößen in einer Recheneinheit ermittelt werden und daraus eine die jeweilige Distanz zu einer Fehlerstelle angebende Meßimpedanz bestimmt wird und
- bei der Bewertung entstandene Fehler durch eine Fehlerkorrektur berücksichtigt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
- die digitalisierten Meßgrößen (u,x) in der Filtereinheit (1) in zwei weiteren FIR-Filtern (8,9) eines dritten Typs
(mit einem Amplitudengang F(jω) und Gewichts faktoren fi) bewertet werden, wobei die Filter der verschiedenen Typen den Bedingungen G(jω) = j . sinΩ . H(jω)
F(jω) = j . sinΩ . G(jω) mit Ω = 
die Abtastzeit und tönet-, die Netzfreguenz der Hochspannungsübertragungsleitung bezeichnen,
mit den Ausgangssignalen 
der weiteren FIR-Filter (8,9) eine Vergleichsimpedanz (Zv)bestimmt wird und die Distanzmessung als hinreichend genau betrachtet wird, wenn sich die Differenz zwischen der Meßimpedanz (Zm) und der Vergleichsimpedanz (Zv) innerhalb einer vorgegebenen Größe hält.
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
- bei durch ein symmetrisches Zählerpolynom
(Gewichtsfaktorenverteilung h^ = hn_i) mit geradem Zählergrad n beschreibbaren FIR-Filtern (3,5) des ersten Typs und bei durch ein antisymmetrisches Zählerpolynom (Gewichtsfaktorenverteilung g^ = gn-i) mit geradem Zählergrad n beschreibbaren FIR-Filter (6) des zweiten Typs als weitere FIR-Filter (8,9) solche Filter verwendet werden, die sich durch ein symmetrisches Zählerpolynom
(Gewichtsfaktorenverteilung f^ = fn-i) beschreiben lassen,
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