Verfahren und Vorrichtung zur rauscharmen Frequenzmessung bei einer mehrphasigen elektrischen Leistungsübertragung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzmessung bei einem mehrphasigen Leitungssystem zur Übertragung elektrischer Leistung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung de Verfahrens.

Zur Beurteilung der elektromechanischen Ausgleichsvorgänge und der Leistungsbilanz bei der Übertragung elektrischer Leistung, z.B. von den Turbinen eines Kraftwerks in ein elektrisches Versorgungsnetz, wird häufig eine Frequenzmessung benötigt, um z.B. festzustellen, ob die Turbinenleistung mit der Verbraucherleistung übereinstimmt. Für die Turbinenleistung ist in erster Linie die Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschinen entscheidend, die sich aber nur im Kraftwerk selbst unmittelbar erfassen läßt. Je nach Art und Lastzustand der Verbraucher treten zwischen dem Kraftwerk und dem Versorgungsnetz elektromagnetische Ausgleichsvorgänge auf, die in der Übertragungsleitung zu Verschiebungen der Phase bzw. Frequenz der Spannungen und Ströme führen und daher die Frequenzmessung verfälschen. Für die Leistungsbilanz und ihre Veränderungen ist die Phasenzahl des . elektromagnetischen Übertragungssystems im Grundsatz nebensächlich, jedoch läßt sich eine rauscharme-Frequenzmessung nicht an einer einzelnen Phase und nicht allein durch Messung des zeitlichen Abstandes der Nulldurchgänge nur einer einzigen schwingenden Größe durchführen. Je nach Art und Zustand der Verbraucher treten nämlich Unter- und Oberschwingungen auf, die die Nulldurchgänge verschieben. Das an derartigen Übertragungsleitungen auftretende Frequenz- oder Phasenrauschen muß demnach ausgefiltert werden. Auch können Netzunsymmetrien bis hin zu unsymmetrischen Netzkurzschlüssen oder Leiterunterbrechungen eintreten, und um nun auch in derartigen Fällen eine zuverlässige Frequenzmessung durchführen zu können, müssen z.B. bei einem Drehspannungssystem die für die Überwachung geeigneten Spannungen aus den insgesamt zur Verfügung stehenden 6 Leiter- und Leitererdspannungen ausgewählt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Übertragung elektrischer Leistung außerhalb des Kraftwerks eine Größe festzustellen und zu messen, die der Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschinen möglichst genau entspricht und nicht durch elektromagnetische Einflüsse wie Unter- und Oberschwingungen, Netzunsymmetrien, Netzfehler und andere Verbrauchereigenschaften verfälscht wird. Je besser dabei das Frequenz-und Phasenrauschen durch geeignete Meßeinrichtungen unterdrückt werden kann, desto leichter lassen sich dann kritische Zustände des elektromechanischen Übertragungssystems erkennen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß als derartige Größe die Frequenz der mitlaufenden ("positivsequenten") Komponente des Drehstromsystems besonders geeignet ist. Ihr zeitlicher Mittelwert ist frei von allen aufgeführten Störgrößen und kennzeichnet so den elektromechanischen Zustand der Leistungsübertragung vom Kraftwerk zum Verbraucher am besten. Daher wird gemäß der Erfindung die Frequenzmessung einer mehrphasigen elektrischen Energieübertragung auf die symmetrische Komponente ausgerichtet. Eine weitere besondere Auswahl aus den Leiter-und Leitererdspannungen wird dann überflüssig. Die zugrunde liegende Aufgabe ist somit auf das Problem reduziert, die grundschwingung der Mitkomponente von den noch vorhandenen Unter-und Oberschwingungen zu separieren und ihre Rotation zu messen. Zur Separation könnte man Bandfilter vorsehen, solche Filter wirken jedoch unvollkommen und nur verzögert.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 19 263 ist eine Einrichtung zum phasenrichtigen Glätten von Vektorkomponenten-Bpannungen bekannt. Dabei werden zwei Spannungen, die als orthogonale Komponenten |E|. cos s, |E|. sin ε eines Vektors in einem raumfesten orthogonalen Bezugssystem aufgefaßt werden, in einem Vektordreher durch Multiplikation mit zwei Spannungen, die als orthogonale Komponenten cos a, sin a eines normierten Vektors (Transformationsvektor) eingegeben werden, in die entsprechenden orthogonalen Komponenten |E|. cos (s - a), |E|. sin (s - a) des eingegebenen Vektors in einem mit dem Transformationsvektor phasenstarr rotierenden Bezugssystem umgerechnet. Der Realteil JEJ. cos (s - a) dieses transformierten Vektors wird als Sollwert einem PI-Regler eingegeben, dessen Ausgangssignal integriert und als Istwert dem Regler rückgeführt wird. Bei verschwindender Regelabweichung zwischen dem eingegebenen Vektor und dem Transformationsvektor (s - a= 0) entspricht somit der Realteil dem gemittelten Betrag des Vektors, wobei diese Mittelung jedoch nicht im raumfesten, orthogonalen Bezugssystem, sondern in dem mit dem Transformationsvektor phasenstarr rotierenden Bezugssystem durchgeführt wird. Aus dem Imaginärteil des transformierten Vektors wird durch Division mit dem Realteil die Größe tan (s - a) gebildet, die einem weiteren PI-Regler zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses Reglers wird als frequenzproportionale Steuerspannung a einem Sinus- und Cosinusgenerator zugeführt, dessen Ausgangssignal cos a, sin a als die entsprechenden orthogonalen, raumfesten Komponenten des Transformationsvektors dem Winkelsignaleingang des erwähnten Vektordrehers zugeführt sind.

Dieser zweite PI-Regler regelt somit die Richtungsabweichung (s-a) dadurch zu Null aus, daß die Frequenz des Transformationsvektors solange verändert wird, bis der Transformationsvektor im Mittel synchron mit dem eingegebenen Vektor umläuft. Im stationären Fall gibt somit der Transformationsvektor stets ohne Phasenverschiebung die Richtung des eingegebenen Vektors wieder, wobei überlagerte Ober- und Unterschwingungen des Vektors ausgemittelt werden. Durch Multiplikation der Komponenten des Transformationsvektors mit dem mittleren Betrag des Vektors werden dann die orthogonalen Komponenten des gefilterten Vektors gebildet.

Gemäß der Erfindung kann zur Frequenzmessung an einem mehrphasigen Leitungssystem zur elektrischen Leistungsübertragung ähnlich vorgegangen werden, wobei in einer raumfesten Betrachtung von den Orthogonalkomponenten eines nullpunktfreien Meßwertsystems ausgegangen wird, das aus den am Leitungssystem abgegriffenen Meßwerten gebildet wird. Die Bezeichnungen "Orthogonalkomponente", "Mitkomponente" und "Raumzeiger" sind dabei nach DIN 13 321 gewählt. Werden für die Leitererdspannungen oder andere elektrische Meßgrößen des Leitungssystems die skalaren Meßwerte g_R, g_s, _9T bzw. für die entsprechenden verketteten Größen die skalaren Meßwerte g_sR, g_TR, 9_ST erfaßt und wird mit a = exp (j 2n/3) eine Transformationsgröße bezeichnet, deren Realteil und lmaginärteil als entsprechende Spannungen einem Koordinatenwandler eingegeben werden, so ist die Mitkomponente g1 durch die Beziehungen in ublicher leistungsvarianter Schreibweise

definiert, wobei mit g_α und g_ß die "Orthogonalkomponenten" (leistungsinvariante Form) gegeben sind. Diese Orthogonalkomponenten gestatten es, in einer raumfesten Betrachtungsweise das nullpunktfreie Meßwertsystem durch Realteil und Imaginärteil einer komplexen Zahl vollständig darzustellen. Unter einem "nullpunktfreien" System ist dabei ein System verstanden, bei dem die "Nullkomponente", d.h. die Summe aller skalaren Meßwerte, gleich Null ist, wie dies z.B. für die verketteten Leiterspannungen der Fall ist. Ein nullpunktbehaftetes Meßwertsystem stellt sich dabei als Überlagerung der Nullkomponente mit dem nullpunktfreien System dar. Bei der durch die angegebenen Beziehungen definierten Darstellung der Mitkomponente ist die Nullpunktfreiheit wegen der mathematischen Beziehung (1 +a+a²) = 0 gewährleistet.

Derartige Koordinatenwandler, die die Orthogonalkomponenten g_α g_ß entsprechend den o.g. Beziehungen liefern, sind bekannt.

Der Raumzeiger g_s ist nach der erwähnten Norm durch die komplexe Beziehung

gegeben. Dies entspricht einer Transformation der bei der raumfesten Darstellung gefundenen Orthogonalkomponenten in frequenztransformierte Komponenten, bei der eine mit der Frequenz ωt veränderliche Größe nunmehr in eine konstante Größe transformiert (demoduliert) wird. Diese, durch exp(- j ot) gegebene Transformation entspricht einer Transformationsmatrix, deren Elemente durch cos ot, sin ot gegeben ist.

Auf die Orthogonalkomponenten angewendet, ergibt diese Transformation den Raumzeiger. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden aus einer intern gebildeten Stellgröße zwei mit einer der Stellgröße proportionalen Frequenz veranderliche Wechselgrößen als Elemente einer entsprechenden Transformationsmatrix gebildet, um aus den Orthogonalkomponenten und diesen Transformationselementen eine richtungsbestimmende Größe des den Orthogonalkomponenten zugeordneten Raumzeigers zu bilden.

Der Raumzeiger liegt z.B. vollständig in der reellen Achse, wenn gilt

• Im (_3s) = - g_a sin ot + g_ß cos ot = 0.

Dadurch ist die Richtung des Raumzeigers in dem dieser Transformation zugehörigen Bildraum festgelegt. Die Stell-größe wird nun durch eine Regelung gebildet, der als Istwert der Imaginärteil des Raumzeigers und als Sollwert der Wert Null vorgegeben wird. Dadurch wird die der Transformation zugrunde gelegte Frequenz so nachgeführt, daß der Raumzeiger stets in die Richtung der imaginären Achse zeigt.

Die stellgrößenproportionale Frequenz ω, die diese Bedingung erfüllt, ist gerade die Drehgeschwindigkeit der Mitkomponente des Übertragungssystems. Damit ist die gesuchte rauscharme Kreisfrequenz des elektromechanischen Systems bestimmt. Folglich braucht als Meßgröße für die Frequenz des Übertragungssystems lediglich noch die frequenzproportionale Stellgröße am Reglerausgang abgegriffen zu werden. Deren zeitliche Ableitung ist die Winkelbeschleunigung des Mitsystems; sie ist bei Leistungsdefizit negativ, bei Leistungsüberschuß positiv. Zweckmäßig wird die Frequenz in einen vorgegebenen konstanten Anteil ωN (Nennfrequenz des Netzes) und einen veränderlichen Anteil 8 unterteilt, wobei durch die Regelung nur 8 bestimmt wird. Dessen zeitliches Integral 8. dt gibt den Gangunterschied (Phasendifferenz) zwischen dem Übertragungssystem und dem Versorgungsnetz an.

An Stelle des Realteils des Raumzeigers kann aber der Imaginärteil oder auch eine andere Größe, die die Richtung des Raumzeigers im Bildraum der Transformation festlegt, gewählt werden, wobei durch Vorgabe eines entsprechenden konstanten Sollwertes ebenfalls gewährleistet ist, daß der zeitlich gemittelte Raumzeiger stets in dieselbe Richtung weist.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 zeigt eine digitalisierte Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 ist ein Leistungserzeuger oder - verbraucher 1 über die Außenleiter R, S, T eines dreiphasigen Leitungssystems und eine Ankoppeleinheit 2 an ein Versorgungsnetz N angeschlossen. Im gezeigten Fall wird von Meßwerten der Leitererdspannungen u_R, u_s, u_T ausgegangen, die mittels Meßwandler 3R, 3S, 3T abgegriffen und einem 3/2-Koordina-tenwandler 4 zugeführt werden. Dadurch werden praktisch unverzögert die raumfesten Orthogonalkomponenten ga (t) und gß (t) eines dem Leitungssystem R, S, T zugeordneten nullpunktfreien Systems geliefert.

Gleichzeitig liefert ein einen integrierenden Funktionsgeber enthaltendes Stellglied 5 die Transformationselemente für eine Transformation der raumfesten Orthogonalkomponenten. Das Stellglied kann z.B. einen frequenzgesteuerten Sägezahngenerator 7 als Integrator für die eingegebene Stellgröße ω enthalten, wobei dem Integrator ein Funktionsgeber 8 zur Bildung von cos o t, sin o t nachgeschaltet ist. Die Ausgänge des Funktionsgebers 8 stellen somit die Transformationselemente bezüglich der stellgrößenproportionalen Frequenz ω dar.

Eine Transformationsschaltung 9 liefert nun aus den Transformationselementen und den Orthogonalkomponenten eine richtungsbestimmende GröMe des Raumzeigers. Die Transformationsschaltung 9 kann besonders einfach auf die angegebene Weise durch zwei Multiplizierer 10 und 11, durch die jeweils eine Orthogonalkomponente mit einem Transformationselement verknüpft wird, aufgebaut sein. In diesem Fall wird nur der Imaginärteil des Raumzeigers als richtungsbestimmende Größe gebildet, um als Istwert an einer Regelvergleichsstelle 13 mit dem entsprechenden Sollwert Null für die Richtung des Raumzeigers verglichen zu werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, der Transformationsschaltung 9 eine Normierungsschaltung nachzuschalten, die den Betrag des Raumzeigers, der im allgemeinen Fall durch √a² + _ß2 gegeben ist, auf einen konstanten Betrag zu normieren. Der Ausgang dieser Normierungsschaltung g' stellt somit die Größe Im (g_s)/ |gs| dar, so daß durch diese Istwertvorgabe für den Regelvergleich eine konstante Regelverstärkung erreichbar ist. Der Regelvergleichsstelle 13 ist ein von der Ist-Bollwert-Differenz beaufschlagter Regler 14 nachgeschaltet, der nunmehr die Eingangsgröße ("Stellgröße") für das Stellglied 5 liefert. Vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, an einer Überlagerungsstelle 16 das Reglerausgangssignal mit dem Nennwert der Netzfrequenz zu überlagern, so daß der Regler nur die Abweichungen von der Nennfrequenz auszuregeln braucht.

Als Frequenzmeßwert kann nun die Stellgröße ω über die Leitung 17 direkt an der Vorrichtung abgegriffen werden, wobei es vorteilhaft sein kann, mittels eines Differenzierers 18 am Reglerausgang auch die zeitliche Ableitung des Reglerausgangssignals zu bilden, um ein Maß für die Beschleunigung des Mitsystems zu erhalten. Dadurch ist es möglich, aus Frequenz und Beschleunigung oder ggf. einem Meßwert für den Betrag der Mitkomponente eine für die Leistungsbilanz der elektrischen Übertragung charakteristische Mischgröße zu bilden.

Der Regler kann vorteilhaft einen integrierenden Anteil besitzen, um die Richtungsabweichung des Raumzeigers vollkommen auszuregeln. Im stationären Fall regelt der Regler dann die mittlere Richtungsabweichung des Raumzeigers und mittelt somit Oberschwingungen und ein Gegensystem selbsttätig aus. Das dynamische Verhalten des Reglers braucht nicht auf die Netzfrequenz besonders abgestimmt zu werden, vielmehr kann der Regler durch entsprechenden Eingriff in seiner Beschaltung bezüglich seines dynamischen Verhaltens an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden. Je nachdem, ob die Meßaufgabe eine hohe Genauigkeit oder eine kurze Einstellzeit verlangt, kann der integrierende Anteil des Reglers größer oder kleiner eingestellt werden.

Bei der in Fig. 2 gezeigten digitalisierten Ausführung liefert der Koordinatenwandler 4 die Orthogonalkomponenten als Analogspannungen an den Analogeingang eines im Multiplexbetrieb arbeitenden Abtastmultiplizierers 20, der als Transformationsschaltung gleichzeitig die Imaginärteilbildung und ggf. die Normierung durchführt. Der Regelvergleichsstelle 13 ist der Sollwert Null eingegeben. Mit der Ausgangsgröße des Reglers 14 wird ein spannungsgesteuerter Oszillator 21 angesteuert, dessen Eingangsgröße noch um den fest vorgegebenen Wert der Nennfrequenz ωN erhöht wird. Seine Ausgangsgröße ist die frequenzproportionale lmpulsfolge o = ωN+δ, die einem integrierend wirkenden Zähler zur Erzeugung einer Sägezahnspannung zugeführt wird. Das m-bit-Ausgabewort des Zählers 22, das einer Zerlegung einer Periode in 2^m-Zeiftstufen entspricht, adressiert einen Festwertspeicher 8, dessen n-bit-Ausgabe wort sin ω t und cos ω t darstellt und dem Digitaleingang des Abtastmultiplizierers 20 zugeführt ist.

Die zur Steuerung der Multiplex- und Abtastoperationen benötigten Schaltsignale der Arbeitsfrequenz f_s werden einem weiteren Festwertspeicher 23 entnommen, den ein 2^k- stufiger, synchron anlaufender Zähler 24 für die Ausgangsimpulse des Oszillators 21 adressiert. Zur Frequenzmessung werden an einem Impulsgenerator25 Impulse erzeugt, deren Dauer A T vorgegeben ist. Die während dieser Dauern A T anfallenden Impulse-des Oszillators 21 werden in einem Zähler 26 addiert, dessen Zählerstand an einer Anzeige 27 abgelesen werden kann.

Die Einrichtung läßt sich für beliebige mehrphasige Größen verwenden, beispielsweise für Spannungen, Ströme, Flüsse und Ladungen. Sie kann nicht nur für 3-phasige, sondern sinngemäß auch für höherphasige Wechselstromsysteme vorgesehen werden. Je nach dem Verwendungszweck können manche Teile weggelassen oder ergänzt werden. So kann z.B. in Fällen, in denen das Mitsystem eine annähernd konstante Größe hat, auf eine Normierung des Raumzeigers verzichtet werden. Andererseits kann man auch für 3-Phasen-Frequenzmesser, mit denen bei Leistungsdefizit die Last abgeworfen werden soll, den Betrag der Mitspannung als Stör-größe am Addierer 16 aufschalten.

Schließlich kann die Erfindung auch vorteilhaft zur Messung des von einem Drehstrommotor ausgeübten Drehmomentes erweitert werden. Hierzu bildet man mit bekannten Multiplikatorschaltungen den Augenblickswert der Motor-Klemm-