Vergleichsschutz für nichtlineare, insbesondere leistungselektronische Betriebsmittel auf der Basis von Leistungsgrößen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts sollte der Anwendungsbereich des bereits 2001 am Lehrstuhl entwickelten Leistungsvergleichschutzrelais für Verteiltransformatoren erweitert werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass das auf Leistungsvergleich basierende Schutzkonzept im Vergleich zum Stromdifferentialschutz deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Auslösezeiten und der Empfindlichkeit aufweist. Es wurde das Ziel verfolgt, Vergleichsschutzkriterien auf Leistungsbasis für komplexere Betriebsmittel zu erschließen und die Anwendbarkeit im elektrischen Energieversorgungsnetz zu evaluieren. Die Aufstellung der theoretischen Untersuchungen von Fehlerzuständen der netzgefuhrten und selbstgeführten Stromrichter mit einer rechnerischen Ermittlung von Leistungskenngrößen stellte dank der am Lehrstuhl vorhandenen Erfahrung auf diesem Gebiet nicht das entscheidende Problem dar. Auf dieser systematischen theoretischen Basis konnten somit die gewonnenen Ergebnisse für Leistungsvergleichskenngrößen herangezogen und als Schutzkriterien bewertet werden. Wie im Vorantrag vereinbart, wurden anfangs die analytischen Berechnungen der Leistungskenngrößen in MatLab/Simulink realisiert. Mit dem in Simulink aufgebauten Netzmodell wurde eine Reihe von Simulationen durchgeführt und ausgewertet. Im Laufe der Zeit hat es sich jedoch herausgestellt, dass die Nachbildung von theoretisch abgeleiteten Fehlerzuständen und Störungen am Schutzobjekt in Simulink nur in geringem Umfang gewährleistet ist. Die am Anfang in MatLab/Simulink aufgebauten Modelle konnten nämlich von innen aus programmtechnischen Gründen nicht verändert werden. In Simulink sind die einzelnen Betriebsmittel als sog. Blackboxes definiert und somit ist die Nachbildung von Fehlern im „Inneren" der Netzelemente, wie z.B. Wicklungsschluss im Trafo oder Kommutierungsfehler von einem Thyristor nicht möglich. Bisher bestand auf diese Weise ein auf MatLab-Standardmodellen aufgebauter Leistungsdifferentialalgorithmus in Simulink. Das genaue Nachvollziehen und die damit verbundene Auswertung der Eingangs- und Ausgangsgrößen für den Leistungsdifferentialschutz waren jedoch mit den Standardmodellen nur sehr beschränkt. Die Modelle mussten dementsprechend als ein sog. M-Code in MatLab programmiert werden. Die Erfahrung, die bei der Nachbildung des Schutzobjekts als die sog. Blackbox in MatLab/Simulink gewonnen wurde, konnte bei der Programmierung des Schutzalgorithmus in M-Code angewendet werden. Dies ergab sich zwar anfangs als deutlich längerer und aufwändigerer Weg, ist jedoch aus wissenschaftlicher Sicht wesentlich wertvoller. Als Ergebnis dieser Überlegungen wurde ein Tool zur dynamischen Lastfluss- und Kurzschlussberechnung in MatLab entwickelt. Das Programm umfasst die Programmierung der einzelnen Betriebsmittelmodelle, Implementierung und Weiterentwicklung der Verfahren zur Lastfluss- und Kurzschlussberechnung, Erstellung der Benutzeroberfläche und der Netzdatenbank. Der M-Code kann aufgrund seiner übersichtlichen Struktur beliebig erweitert werden und bildet gleichzeitig die Grundlage fur weitere rechnerische Untersuchungen. Bei der Weiterentwicklung des Programms besteht die Möglichkeit, die einzelnen Module in eine beliebige Sprache zu konvertieren und als Programm-Code z.B. in ein externes mobiles Gerät zu exportieren (z.B. Schutzgerät). Darüber hinaus sind jetzt die Fehlerzustände und Störungen am Schutzobjekt, sowohl am Stromrichtertransformator als auch am Stromrichter selbst, leichter programmierbar. Das Modell des leistungsbasierten Differentialschutzes umfasste in der vorherigen Entwicklungsphase keine Zusatzfunktionen, die unter Umständen die Fehlauslösung des Differentialschutzes verhindern können. Es mussten daher in das bestehende Modell folgende Schutzfunktionen implementiert werden: Erkennung des Einschaltvorgangs eines Transformators, Erkennung des sympathisierenden Einschaltstromes beim Parallelschalten von Transformatoren, Spannungsüberwachung (Übererregungsschutz), Überlastschutz und Erkennung der Lastunsymmetrie. Es ist von großer Bedeutung, dass die einzelnen Funktionen des Differentialschutzalgorithmus mit dem eingebetteten Messsystem integrierbar sind. Es wird somit vorausgesetzt, dass die Hardware, die zum praktischen Testen des Relais eingesetzt wird, sich mit der programmierten Schutzroutine von MatLab steuern lässt.
