Validierung des Schutzes gegen Phasenverschiebung mittels Echtzeit-Fehlersimulation

Wichtigste Erkenntnisse

• Einstellungen zum Schutz vor Phasenverschiebungen sind nur dann sinnvoll, wenn sie an einen tatsächlichen Impedanzverlauf gekoppelt sind, der aus einer Systemschwankungsanalyse hervorgeht.
• Der Schutz vor Schwungbewegungen muss unter Closed-Loop-Bedingungen sowohl bei stabilen Schwungbewegungen als auch bei absichtlichem Stolpern während einer instabilen Trennung eine sichere Blockierung gewährleisten.
• Statische Relaisprüfungen sind für die logische Verifikation nützlich, decken jedoch nicht die zeitlichen Wechselwirkungen auf, die darüber entscheiden, wie sich ein nicht synchronisiertes Relais während einer Störung verhält.

Tests Phasenausfallschutzes mit Echtzeit-Fehlersimulation decken Blockierungs- und Auslösefehler auf, bevor ein Relais in Betrieb genommen wird.

Wenn sich eine schwere Störung legt, muss der Distanzschutz einen behebbaren Leistungsschwankungsvorgang von einem tatsächlichen Synchronitätsverlust unterscheiden, und diese Entscheidung hängt stärker vom zeitlichen Ablauf als von einfachen Auslösewerten ab. Das US-Energieministerium verzeichnete im Jahr 2023 185 Stromstörungen, was verdeutlicht, wie oft Energiesysteme Belastungssituationen Energiesysteme , denen die Schutzeinstellungen standhalten müssen. Statische Prüfungen bestätigen Ein- und Ausgangsgrößen, können jedoch nicht die Bewegung der Quelle nachbilden, die die Beurteilung des Asynchronlaufschutzes erschwert. Es bedarf einer Testmethode, die Spannungsabfall, Rotorwinkelabweichung, Fehlerbeseitigung und Wiederherstellung nach dem Fehler in einer einzigen Abfolge nachbildet. Schutzteams betrachten die Closed-Loop-Simulation als einen erforderlichen Validierungsschritt, da stabile und instabile Schwankungen bereits vor der Inbetriebnahme Schwachstellen in den Einstellungen aufdecken.

Der Schutz vor Taktabweichungen greift ein, wenn die Synchronisation verloren geht

Die Asynchronismussicherung löst aus, wenn zwei Teile des Systems den Synchronismus verlieren und der Impedanzpfad anzeigt, dass sich die Schwankung nicht wieder ausgleichen wird. Sie schützt Maschinen, Leitungen und Verbindungen vor wiederholtem Polschlupf nach der Fehlerbeseitigung. Ingenieur:innen diesen Begriff für eine Schutzvorrichtung, die anspricht, sobald sich die Rotorwinkel weiter auseinanderbewegen. Das ist in der Praxis die Asynchronismussicherung.

Ein Generator, der über einen langen Korridor Strom exportiert, liefert ein anschauliches Beispiel. Ein Dreiphasenfehler wird beseitigt, die Leitung bleibt in Betrieb, doch die Maschine beschleunigt weiter gegen das entfernte System, da das elektrische Drehmoment nie aufholen kann. Das Relais registriert dann, wie die Scheinimpedanz durch Entfernungszonen schwankt, die für Fehler eingestellt wurden. Ist die Schwankung instabil, begrenzt eine kontrollierte Trennung an einer ausgewählten Stelle die Belastung besser als zufällige Abschaltungen.

Man versucht, den Teil des Netzes zu erhalten, der zusammenhängend bleiben kann. Außerdem werden Anlagen geschützt, die einen anhaltenden asynchronen Betrieb nicht vertragen. Dies ist bei Hochspannungsanschlüssen von Generatoren, stark ausgelasteten Verbindungsleitungen und schwachen Korridoren von Bedeutung. Das Relais schützt die Systemstabilität ebenso wie die primären Anlagen.

Durch das Blockieren von Leistungsschwankungen werden Fehler von Impedanzschwankungen getrennt

Die Power-Swing-Blockierung verhindert, dass Distanzelemente bei einem stabilen Schwingvorgang auslösen, wenn eine scheinbare Impedanz ohne Fehler in ihre Bereiche eintritt. Sie hält das Relais zurück, während sich die Schwingungen nach dem Schalten oder der Fehlerbeseitigung abklingen. Sobald ein Fehler auftritt, muss diese Rückhaltung aufgehoben werden. Diese Unterscheidung gewährleistet den ordnungsgemäßen Betrieb der Leitung.

Ein häufiger Fall tritt nach der Fernfehlerbeseitigung auf einem stark ausgelasteten Exportkorridor auf. Die Scheinimpedanz kann tief in Zone 2 vordringen und dort lange genug verharren, um gefährlich zu wirken. Wenn die Blockierung zum richtigen Zeitpunkt einsetzt und beendet wird, übersteht die Leitung die Wiederherstellungsphase. Beginnt sie zu spät oder endet sie zu spät, kann eine einwandfreie Leitung auslösen oder die Beseitigung eines tatsächlichen Fehlers verzögert werden.

Bei den Einstellungen zum Schutz vor Power-Swing geht es in erster Linie um Sicherheit und erst in zweiter Linie um Geschwindigkeit. Die Blockierung muss zudem mit den Fehlerdetektoren abgestimmt sein. Auch die Phasenauswahl und kommunikationsgestützte Verfahren spielen eine Rolle. Eine gründliche Validierung belegt, dass das Relais während eines Swings zurückhält und dennoch reagiert, wenn ein Fehler auftritt.

„Die Power-Swing-Blockierung verhindert, dass Abstandssensoren bei einem stabilen Schwung auslösen, wenn eine scheinbare Impedanz ohne Fehler in ihren Erfassungsbereich eindringt.“

Die Relaislogik mit Phasenverschiebung folgt dem zeitlichen Verlauf der Impedanzkurve

Ein Out-of-Step-Relais erfasst, wie sich die Scheinimpedanz über die Blindstellen hinweg verändert und wie lange es dauert, diese zu durchlaufen. Stabile Schwankungen durchlaufen diese Bereiche langsam oder kehren um, bevor die Auslösekriterien erfüllt sind. Instabile Schwankungen setzen sich fort und erfüllen das Zeitfenster, das eine Auslösung auslöst. Das ist das grundlegende Funktionsprinzip.

Ein praktischer Relaistest kann zeigen, dass eine Impedanz in einen äußeren Blinder eintritt und 120 ms später einen inneren Blinder erreicht. Wenn das Element dieses Intervall als instabil bewertet, wird der Auslösepfad aktiviert und wartet auf die verbleibende Logik. In einem stabilen Fall kommt es zu einer Verlangsamung, einem Stillstand oder einer Umkehrung, bevor die zweite Grenze überschritten wird. Spannungsabfall und schwache Quellenbedingungen machen diese Unterscheidung schwieriger, als es in einem Diagramm den Anschein hat.

Auch die Reihenfolge und Abfolge spielen eine Rolle. Manche Relais nutzen ein Spannungsspeicherprinzip. Andere verwenden Fehlerdetektoren, um die Sperre aufzuheben. Wieder andere wenden für jede Seite eine eigene Auslöselogik an. Das Phasenabweichungsrelais bildet einen koordinierten Ablauf aus Messung, Überwachung und Ausgabelogik.

Die Einstellungen beginnen mit der Schwungbahn durch die Relaiszonen

Die Einstellungen für die Schrittabweichung gehen von der Schwingbahn aus, die Ihr System erzeugen kann, da die Reichweite der Blinder und die Zeitgeber nur im Verhältnis zu dieser Bahn Sinn ergeben. Zunächst legen Sie die Geometrie fest, dann das Timing und schließlich die Koordination mit den Fehlerdetektoren und der Auslöserlogik. Dies gilt sowohl für Blockier- als auch für Auslöseelemente. Die Schwingbahn steht an erster Stelle.

Ein Zwei-Quellen-Äquivalent reicht für den Anfang oft aus. Man stellt die vom Relaisstandort aus gesehene Scheinimpedanz für stabile und instabile Störungen grafisch dar und platziert dann Blindelemente so, dass der instabile Pfad erfasst wird, ohne die normale Last zu beeinträchtigen. Eine stark belastete 500-kV-Verbindungsleitung erfordert einen anderen Abstand als eine kurze, leistungsstarke Leitung in der Nähe eines Generator-Sammelscheibens. Die Einstellung des Timers, bevor man den Pfad kennt, ist reine Spekulation.

Sobald dieser Prüfpunkt geklärt ist, können Sie Verfeinern unter extremen Betriebsbedingungen Verfeinern . Eine geringe Last kann den Verlauf verändern. Auch ein hoher Export, eine schwache Fernquelle und einpoliges Schalten können ihn beeinflussen. Sie benötigen Einstellungen, die in allen Fällen konsistent bleiben, und keine Einstellungen, die nur auf einen einzelnen Studienlauf abgestimmt sind.

Power-Swing-Modelle sollten die zunehmende Winkelverschiebung der Rotoren nachbilden

Ein brauchbares Modell für einen Leistungsschwankungsversuch muss den Winkelversatz der Generatoren, die Quellstärke, das Übertragungsniveau sowie die Auslösesequenz, die die Schwankung auslöst, nachbilden. Außerdem muss es eine glaubwürdige Spannungswiederherstellung und einen korrekten Lastfluss vor dem Fehler gewährleisten. Das Relais nimmt einen Impedanzverlauf wahr, der durch das von Ihnen erstellte Modell bestimmt wird. Dieses Modell legt das Testergebnis fest.

Ein solider Testfall beginnt mit einem gelösten Lastfluss, legt einen Fehler an, behebt diesen mit vorgegebenen Schaltzeiten und lässt die Maschinenwinkel auf den veränderten Übertragungsweg reagieren. Ein Zwei-Bereichs-System reicht für Leitungsrelais oft aus, wenn die Quellen realistische Trägheit, Erregung, Reglerreaktion und Netzfestigkeit aufweisen. Lässt man diese Komponenten außer Acht, sieht der Impedanzverlauf zwar sauber aus, doch das Relais erkennt ein Verhalten, das im System niemals auftritt. Diese Diskrepanz verbirgt eine mangelhafte Validierung.

• Die Übertragungsgrenze vor dem Ausfall sollte der im Betrieb zu erwartenden Belastung des Korridors entsprechen.
• Das Quelläquivalent sollte die starken und schwachen Systembedingungen an beiden Leitungsenden widerspiegeln.
• Der Ort des Fehlers und die Beseitigungszeit sollten genau den Schwankungsgrad erzeugen, den Sie testen möchten.
• Die Maschinen- und Steuerungsmodelle sollten die Beschleunigung und die Erholung nach einem Fehler nachbilden.
• Die Relais I/O im geschlossenen Regelkreis bleiben, damit die Ausgänge den Betriebszustand beeinflussen.

Die Modellierung im geschlossenen Regelkreis ist wichtig, da das Relais auf den nächsten Systemzustand reagiert und nicht nur auf den ursprünglichen Fehler. Ein stabiler Fall kann eine erfolgreiche Wiedereinschaltung und gedämpfte Schwingungen umfassen. Ein instabiler Fall kann dazu führen, dass die Leitung offen bleibt und sich die Winkel weiter auseinanderentwickeln. Genau diese Abfolge macht die Simulation für die Validierung von Relais so nützlich.

Die Echtzeitsimulation überprüft die Blockierung bei stabilen Schwungfällen

Die Validierung des stabilen Schwungs belegt, dass das „Power Swing Blocking“ die Distanzelemente sicher hält, während die Impedanz in sensible Bereiche vordringt und sich anschließend ohne Auslösung wieder zurückzieht. Der Test gilt nur dann als bestanden, wenn das Blocking früh genug einsetzt. Außerdem muss es während des gesamten Schwungs aufrechterhalten bleiben. Nach der Erholung muss es dann sauber zurückgesetzt werden.

Ein gängiges stabiles Szenario umfasst einen stark ausgelasteten Exportkorridor, einen entfernten Dreiphasenfehler und eine Auslösung, bei der die Verbindungsleitung intakt bleibt. Mit OPAL-RT können Sie das Netz und I/O geschlossenen Regelkreis simulieren und überprüfen, ob die Entfernungszonen innerhalb ihrer Reichweite begrenzt bleiben, wenn Impedanzen in diese eintreten oder sie verlassen. Der gleiche Simulationslauf sollte zeigen, dass das Blockierelement nach dem Abklingen der Schwingung ausfällt, ohne dass ein Ausgang im gesperrten Zustand verbleibt. Diese Abfolge belegt, dass sich das Blockierelement als Teil des Gesamtsystems verhält.

Außerdem sollten Sie während des Schwingvorgangs einen Fehler simulieren. Ein Phasen-Erdungsfehler, der während der Blockierung ausgelöst wird, zeigt, ob das Relais die Sperre schnell genug aufhebt, um den Fehler zu beheben. Diese Überprüfung ist wichtig, da Schwachstellen häufig zwischen verschiedenen Funktionen liegen. Sie befinden sich nicht immer innerhalb einer einzigen Funktion.

Test der Auslösung durch Stangenrutschen bei instabilen Schwungszenarien

Tests instabiler Schwingung Tests , dass das Relais auslöst, nachdem der Synchronlauf verloren gegangen ist und bevor wiederholte Polschlupfe die Anlagen beschädigen oder die Störung ausweiten. Der Impedanzpfad muss die Relaiskennlinie mit der erwarteten Überkreuzungszeit durchlaufen. Auch die Fehlerlogik darf nicht ins Spiel kommen. Diese Abfolge zeigt, ob die Auslösung beabsichtigt ist.

Ein typischer instabiler Fall beginnt mit einem schweren Fehler an einer belasteten Verbindung und wird so langsam behoben, dass sich die Generatorwinkel weiter auseinanderentwickeln. Das Relais sollte die Schwankung erkennen, die Laufzeit seines Out-of-Step-Timers erfüllen und die ausgewählte Abschaltung auslösen, bevor sich ein weiterer Schlupfzyklus entwickelt. Wenn das Schema an anderer Stelle eine einpolige Abschaltung vorsieht, sollten Sie hier die beabsichtigte dreipolige Funktion überprüfen. Der Test muss mit dem Schema übereinstimmen, das im Betrieb verdrahtet wird.

Einige Fehlerarten treten ausschließlich bei diesem Test auf. Bei einer zu lang eingestellten Zeitmessung wird der erste Schlupf übersehen. Bei zu engen Begrenzungsblenden kann unter schwachen Lichtquellenbedingungen die tatsächliche Bahn verfehlt werden. Die Richtungsüberwachung muss zudem mit dem geplanten Trennpunkt übereinstimmen.

Bei statischen Relaistests werden Zeitfehler vor dem Einsatz vor Ort übersehen

„Bei einer statischen Sekundärinjektion werden zwar die Abgriffwerte und Logikzustände überprüft, jedoch bleiben die gekoppelten Timing-Fehler unentdeckt, die während eines tatsächlichen Schwingvorgangs auftreten.“

Der Schutz vor Fehlabgleichen hängt von der Bewegung, der Abfolge und dem Zusammenspiel der einzelnen Elemente ab. Die dynamische Validierung ist ein wesentlicher Bestandteil der Sicherheitsarbeit, da die Abfolge über das Ergebnis entscheidet. Statische Prüfungen allein reichen nicht aus, um diese Frage zu klären.

Der Stromausfall im August 2003 betraf schätzungsweise 50 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten und Kanada. Dieses Ereignis macht deutlich, dass scheinbare Impedanzänderungen unter Belastung des Netzes zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Fernschutz führen können. Ein Prüfstandstest, bei dem konstante Phasoren in einen Relais-Eingang eingespeist werden, kann das Wettlaufen zwischen Schwingungserkennung, Fehlerüberwachung und Auslöselogik nicht aufzeigen. Fälle mit geschlossenem Regelkreis zeigen dieses Wettlaufen hingegen sehr wohl.

Eine sorgfältige Validierung zahlt sich aus, da das Relais dieselben wiederherstellbaren und instabilen Pfade erkennen muss, mit denen es im Netz konfrontiert sein wird. OPAL-RT eignet sich hervorragend für diese Aufgabe, da es die Abfolge, das Timing und die Rückmeldungen nachbildet, die bei statischen Tests außer Acht gelassen werden. Dadurch wird die Konfigurationsdatei zu einer fundierten technischen Entscheidung, noch bevor die Arbeiten vor Ort beginnen. Außerdem erhalten Sie so eine klarere Grundlage für die Genehmigung der Inbetriebnahme.