[Zusammenfassung] Dieser Artikel untersucht die Entwicklung der Relais-Schutztechnik im chinesischen Stromnetz, fasst die Errungenschaften der mikrocomputergestützten Relais-Schutztechnik zusammen und prognostiziert folgende zukünftige Entwicklungstrends: Computerisierung, Vernetzung, Integration von Schutz, Steuerung, Messung und Datenkommunikation sowie künstliche Intelligenz. [Schlüsselwörter] Relais-Schutz, aktueller Stand, Entwicklung 1. Aktueller Stand der Relais-Schutzentwicklung Die rasante Entwicklung des Stromnetzes hat kontinuierlich neue Anforderungen an den Relais-Schutz gestellt. Die rasante Entwicklung der Elektronik-, Computer- und Kommunikationstechnologie hat der Relais-Schutztechnik stetig neue Impulse verliehen. Daher hat die Relais-Schutztechnik in nur gut 40 Jahren vier historische Entwicklungsstufen durchlaufen. Nach der Gründung der Volksrepublik China erlebte die Relais-Schutztechnik in China einen rasanten Aufschwung – von der Grundlagenforschung über die Relais-Schutzkonstruktion und die Relais-Fertigung bis hin zum Fachkräftebedarf. Innerhalb von etwa zehn Jahren wurde ein Weg zurückgelegt, für den fortgeschrittene Länder ein halbes Jahrhundert benötigten. In den 1950er Jahren eigneten sich chinesische Ingenieure die Leistungs- und Betriebstechnologien fortschrittlicher ausländischer Relais-Schutzsysteme kreativ an und bauten ein technisches Team für Relais-Schutzsysteme mit fundiertem theoretischem Wissen und umfangreicher praktischer Erfahrung auf. Dies spielte eine wegweisende Rolle für die Etablierung und das Wachstum des nationalen technischen Teams für Relais-Schutzsysteme. Das Acheng-Relaiswerk führte fortschrittliche ausländische Relais-Fertigungstechnologien ein und etablierte damit die eigene Relais-Fertigungsindustrie Chinas. So verfügte China bis Mitte der 1960er Jahre über ein umfassendes System für Forschung, Entwicklung, Fertigung, Betrieb und Schulung im Bereich Relais-Schutzsysteme. Dies war eine Blütezeit für den elektromechanischen Relais-Schutz und legte ein solides Fundament für die Entwicklung der Relais-Schutztechnologie in China. Seit Ende der 1950er Jahre wurde die Forschung an Transistor-Relais-Schutzsystemen begonnen. Von Mitte der 1960er bis Mitte der 1980er Jahre erlebte der Transistor-Relais-Schutz eine dynamische Entwicklung und breite Anwendung. Zu diesen Errungenschaften zählten der in Zusammenarbeit mit der Universität Tianjin und der Nanjing Electric Power Automation Equipment Factory entwickelte 500-kV-Transistor-Richtungshochfrequenzschutz sowie der vom Nanjing Electric Power Automation Research Institute entwickelte Transistor-Hochfrequenz-Blockierdistanzschutz. Diese wurden an der 500-kV-Leitung Gezhouba in Betrieb genommen und beendeten damit die Ära, in der der Schutz von 500-kV-Leitungen vollständig auf Importen basierte. In dieser Zeit, Mitte der 1970er-Jahre, begann die Forschung an integrierten Schaltungsschutzsystemen auf Basis integrierter Operationsverstärker. Ende der 1980er-Jahre hatte sich eine vollständige Produktpalette integrierter Schaltungsschutzsysteme entwickelt, die den Transistorschutz schrittweise ablöste. Anfang der 1990er-Jahre dominierten Forschung, Produktion und Anwendung integrierter Schaltungsschutzsysteme den Markt; dies war das Zeitalter des integrierten Schaltungsschutzes. In diesem Zusammenhang spielte der vom Nanjing Electric Power Automation Research Institute entwickelte integrierte Schaltkreis zur Richtungsschutz-Hochfrequenzregelung bei Netzfrequenzänderungen eine wichtige Rolle. Auch der in Zusammenarbeit mit der Tianjin University und der Nanjing Electric Power Automation Equipment Factory entwickelte integrierte Schaltkreis zur Richtungsschutz-Hochfrequenzregelung bei Phasenspannungskompensation war auf mehreren 220-kV- und 500-kV-Leitungen im Einsatz. In China begann die Forschung an computergestützten Schutzrelais Ende der 1970er-Jahre, wobei Universitäten und Forschungsinstitute eine Vorreiterrolle einnahmen. Die Huazhong University of Science and Technology, die Southeast University, die North China Electric Power University, die Xi'an Jiaotong University, die Tianjin University, die Shanghai Jiaotong University, die Chongqing University und das Nanjing Electric Power Automation Research Institute entwickelten nacheinander mikrocomputergestützte Schutzgeräte unterschiedlicher Funktionsprinzipien und Typen. 1984 wurde das von der ehemaligen Nordchinesischen Universität für Elektrotechnik entwickelte Mikrocomputer-Schutzgerät für Übertragungsleitungen als erstes seiner Art geprüft und im System eingesetzt. Dies markierte einen Wendepunkt in der Geschichte des Relais-Schutzes in China und ebnete den Weg für die Verbreitung des Mikrocomputer-Schutzes. Im Bereich des Hauptanlagenschutzes wurden die von der Südostuniversität und der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie entwickelten Systeme zum Schutz bei Erregungsausfall von Generatoren, zum Generatorschutz und zum Gruppenschutz von Generatoren und Transformatoren geprüft und 1989 bzw. 1994 in Betrieb genommen. Das vom Nanjing Electric Power Automation Research Institute entwickelte mikrocomputerbasierte Leitungsschutzgerät wurde 1991 geprüft. Der von der Tianjin University in Zusammenarbeit mit der Nanjing Electric Power Automation Equipment Factory entwickelte mikrocomputerbasierte Phasenspannungskompensations-Richtungshochfrequenzschutz sowie der von der Xi'an Jiaotong University in Zusammenarbeit mit der Xuchang Relay Factory entwickelte Richtungshochfrequenzschutz für positive Fehlerkomponenten wurden 1993 bzw. 1996 geprüft. Somit weisen mikrocomputerbasierte Leitungs- und Hauptgeräteschutzgeräte mit unterschiedlichen Prinzipien und Modellen jeweils spezifische Merkmale auf und bieten dem Stromnetz eine neue Generation leistungsstarker, voll funktionsfähiger und zuverlässiger Relaisschutzgeräte. Parallel zur Forschung an mikrocomputerbasierten Schutzgeräten wurden auch zahlreiche theoretische Fortschritte in der mikrocomputerbasierten Schutzsoftware und den zugehörigen Algorithmen erzielt. Man kann sagen, dass Chinas Relaisschutztechnologie seit den 1990er Jahren in das Zeitalter des mikrocomputerbasierten Schutzes eingetreten ist. 2. Zukünftige Entwicklung des Relaisschutzes Der zukünftige Trend in der Relaisschutztechnologie geht hin zu Computerisierung, Vernetzung, Intelligenz und der Integration von Schutz, Steuerung, Messung und Datenkommunikation. 2.1 Computerisierung Mit der rasanten Entwicklung der Computerhardware entwickelt sich auch die Mikrocomputer-Schutzhardware stetig weiter. Die vom ehemaligen Nordchinesischen Institut für Elektrizitätswirtschaft entwickelte Mikrocomputer-Leitungsschutzhardware durchlief drei Entwicklungsstufen: Vom anfänglichen 8-Bit-Mikrocomputerschutz mit Einzel-CPU entwickelte sie sich in weniger als fünf Jahren zu einer Multi-CPU-Struktur und anschließend zu einer Großmodulstruktur ohne Busunterbrechung, was die Leistung deutlich verbesserte und eine breite Anwendung ermöglichte. Auch der von der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie entwickelte Mikrocomputerschutz entwickelte sich von einer 8-Bit-CPU zu einem 32-Bit-Mikrocomputerschutz auf Basis eines industriellen Steuerungsrechnerkerns. Das Nanjing Electric Power Automation Research Institute entwickelte zunächst ein 16-Bit-CPU-basiertes Mikrocomputer-Leitungsschutzsystem, das weite Verbreitung gefunden hat, und forscht derzeit an 32-Bit-Schutzhardwaresystemen. Die von der Südostuniversität entwickelte Mikrocomputer-Hauptgeräteschutzhardware wurde ebenfalls mehrfach verbessert und erweitert. Die Universität Tianjin begann von Anfang an mit der Entwicklung mikrocomputerbasierter Schaltungsschutzsysteme unter Verwendung von 16-Bit-Multiprozessoren. 1988 startete sie die Forschung an integrierten Schutz-, Steuerungs- und Mess-Mikrocomputergeräten auf Basis von 32-Bit-Digitalprozessoren (DSPs). Aktuell hat sie in Zusammenarbeit mit Zhuhai Jindian Automation Equipment Co., Ltd. ein voll funktionsfähiges 32-Bit-Großmodul entwickelt, dessen einzelne Module im Wesentlichen Mini-Computer darstellen. Der Einsatz von 32-Bit-Mikrocomputerchips dient nicht allein der Genauigkeit, da diese durch die Auflösung der A/D-Wandler begrenzt ist; mehr als 16 Bit wären hinsichtlich Wandlungsgeschwindigkeit und Kosten nicht mehr praktikabel. Wichtiger noch: 32-Bit-Mikrocomputerchips bieten hohe Integration, hohe Betriebsfrequenz und Rechengeschwindigkeit, einen großen Adressraum, einen umfangreichen Befehlssatz und zahlreiche Ein-/Ausgabeports. Die Register, der Datenbus und der Adressbus der CPU sind alle 32-Bit-fähig und ermöglichen Speichermanagement, Speicherschutz und Task-Switching. Cache und Gleitkommaeinheiten sind in die CPU integriert. Die Anforderungen an den Mikrocomputerschutz in Stromversorgungssystemen steigen stetig. Neben den grundlegenden Schutzfunktionen benötigt er auch eine hohe Speicherkapazität für Fehlerinformationen und -daten, schnelle Datenverarbeitung, leistungsstarke Kommunikationsfähigkeiten, die Möglichkeit zur Vernetzung mit anderen Schutz-, Steuergeräten und Leitstellen, um Daten, Informationen und Netzwerkressourcen des Gesamtsystems gemeinsam zu nutzen, sowie Programmierkenntnisse in höheren Programmiersprachen. Dies erfordert von Mikrocomputerschutzgeräten PC-ähnliche Funktionen. In der Frühphase der Computerschutzentwicklung war die Idee denkbar, einen kleinen Computer für den Relaisschutz zu verwenden. Aufgrund der Größe, der hohen Kosten und der geringen Zuverlässigkeit der damaligen Kleincomputer erwies sich diese Idee jedoch als unrealistisch. Heute übertreffen die Funktionen, die Geschwindigkeit und die Speicherkapazität von Industriecomputern vergleichbarer Größe die der früheren Kleincomputer deutlich. Daher ist es nun an der Zeit, komplette Industriecomputer für den Relaisschutz einzusetzen. Dies stellt eine der Entwicklungsrichtungen im Bereich des Mikrocomputerschutzes dar. Die Universität Tianjin hat ein Relais-Schutzgerät entwickelt, das auf einem modifizierten Industrie-Steuercomputer basiert und dessen Struktur der von Mikrocomputer-Schutzgeräten entspricht. Die Vorteile dieses Geräts sind: (1) Es verfügt über alle Funktionen eines 486-PCs und erfüllt die vielfältigen funktionalen Anforderungen aktueller und zukünftiger Mikrocomputer-Schutzgeräte. (2) Größe und Struktur ähneln gängigen Mikrocomputer-Schutzgeräten. Die Verarbeitung ist exzellent, und das Gerät bietet hohe Stoßfestigkeit, Überhitzungsschutz und Schutz vor elektromagnetischen Störungen. Es ist für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet und kostengünstig. (3) Es verwendet einen STD-Bus oder einen PC-Bus und ist modular aufgebaut. Verschiedene Module können für unterschiedliche Schutzfunktionen ausgewählt werden. Die Konfiguration ist flexibel und leicht erweiterbar. Die Mikrocomputerisierung und Computerisierung von Relais-Schutzgeräten ist ein unumkehrbarer Entwicklungstrend. Wie die Anforderungen des Stromnetzes jedoch besser erfüllt, die Zuverlässigkeit des Relais-Schutzes weiter verbessert und größere wirtschaftliche und soziale Vorteile erzielt werden können, bedarf weiterer detaillierter Untersuchungen. 2.2 Vernetzte Computernetzwerke haben sich als Informations- und Datenkommunikationswerkzeuge zur technologischen Säule des Informationszeitalters entwickelt und die menschliche Produktion und das gesellschaftliche Leben grundlegend verändert. Sie haben verschiedene Industriezweige tiefgreifend beeinflusst und leistungsstarke Kommunikationsmittel für diese bereitgestellt. Bislang können Relais-Schutzeinrichtungen, mit Ausnahme von Differenzial- und Längsschutz, lediglich die elektrische Größe am Schutzpunkt erfassen. Die Rolle des Relais-Schutzes beschränkt sich zudem auf das Abschalten fehlerhafter Komponenten und die Begrenzung der Unfallauswirkungen. Dies ist hauptsächlich auf den Mangel an leistungsstarken Datenkommunikationsmitteln zurückzuführen. Das Konzept des Systemschutzes wurde im Ausland bereits vor längerer Zeit diskutiert und bezog sich damals hauptsächlich auf automatische Sicherheitseinrichtungen. Da die Rolle des Relais-Schutzes nicht mehr auf die Isolierung fehlerhafter Komponenten und die Begrenzung der Unfallauswirkungen (die primäre Aufgabe) beschränkt ist, muss er auch den sicheren und stabilen Betrieb des Gesamtsystems gewährleisten. Dies erfordert, dass jede Schutzeinheit Daten über den Betrieb und Fehlerinformationen des Gesamtsystems austauscht. Jede Schutzeinheit und die Wiedereinschalteinrichtung müssen ihre Maßnahmen auf Basis der Analyse dieser Informationen und Daten koordinieren, um den sicheren und stabilen Betrieb des Systems zu gewährleisten. Die Grundvoraussetzung für einen solchen Systemschutz ist die Vernetzung aller wichtigen Anlagenkomponenten über ein Computernetzwerk, also die Vernetzung von Mikrocomputer-Schutzgeräten. Dies ist unter den heutigen technologischen Bedingungen problemlos möglich. Auch für den allgemeinen, nicht systembezogenen Schutz bietet die Vernetzung von Schutzgeräten mit Computern erhebliche Vorteile. Je mehr Systemfehlerinformationen das Relais-Schutzgerät erhält, desto genauer lassen sich Fehlerart, Fehlerort und Fehlerentfernung bestimmen. Die Forschung zum Prinzip des adaptiven Schutzes wird seit Langem betrieben und hat bereits einige Erfolge erzielt. Um jedoch eine vollständige Anpassung des Schutzes an Systembetriebsarten und Fehlerzustände zu erreichen, sind mehr Systembetriebs- und Fehlerinformationen erforderlich. Dies lässt sich nur durch die Computervernetzung des Schutzes realisieren. Bei einigen Schutzgeräten kann die Computervernetzung auch die Zuverlässigkeit des Schutzes verbessern. 1993 schlug die Universität Tianjin ein verteiltes Sammelschienenschutzprinzip für die 500-kV-Höchstspannungs-Mehrkreissammelschiene des zukünftigen Drei-Schluchten-Wasserkraftwerks vor und entwickelte erfolgreich ein entsprechendes Vorgerät. Das Prinzip besteht darin, den herkömmlichen zentralen Sammelschienenschutz auf mehrere Sammelschienenschutzeinheiten (entsprechend der Anzahl der Stromkreise der zu schützenden Sammelschiene) zu verteilen, die über die Schutzfelder der einzelnen Stromkreise verteilt sind. Diese Schutzeinheiten sind über ein Computernetzwerk miteinander verbunden. Jede Schutzeinheit erfasst lediglich den Strom ihres eigenen Stromkreises, wandelt ihn in einen digitalen Wert um und übermittelt diesen über das Computernetzwerk an die Schutzeinheiten aller anderen Stromkreise. Jede Schutzeinheit führt auf Basis des Stroms ihres eigenen Stromkreises und der vom Computernetzwerk bezogenen Stromwerte aller anderen Stromkreise Berechnungen zum Sammelschienen-Differenzialschutz durch. Zeigt die Berechnung einen internen Sammelschienenfehler an, löst nur der Leistungsschalter des eigenen Stromkreises aus und isoliert so die fehlerhafte Sammelschiene. Tritt ein Fehler außerhalb der Sammelschienenzone auf, wird dieser von allen Schutzeinheiten als externer Fehler behandelt und sie greifen nicht ein. Dieses verteilte Sammelschienenschutzprinzip, das mithilfe eines Computernetzwerks realisiert wird, bietet eine höhere Zuverlässigkeit als das herkömmliche zentrale Sammelschienenschutzprinzip. Denn wenn eine Schutzeinheit aufgrund von Störungen oder Berechnungsfehlern ausfällt, kann sie lediglich den betroffenen Stromkreis fälschlicherweise auslösen und so einen katastrophalen Zwischenfall verhindern, der die gesamte Sammelschiene unterbrechen würde. Dies ist entscheidend für Systeme wie den Drei-Schluchten-Damm mit seinen Höchstspannungs-Sammelschienen. Wie oben dargestellt, kann die Vernetzung mikroprozessorgesteuerter Schutzgeräte die Schutzleistung und -zuverlässigkeit deutlich verbessern – ein unaufhaltsamer Trend in der Entwicklung mikroprozessorgesteuerter Schutzsysteme. 2.3 Integration von Schutz, Steuerung, Messung und Datenkommunikation: Durch die Computerisierung und Vernetzung des Relaisschutzes fungiert das Schutzgerät im Wesentlichen als leistungsstarker, multifunktionaler Computer und intelligentes Endgerät im gesamten Stromnetz. Es kann Informationen und Daten zum Betrieb und zu Störungen des Stromnetzes aus dem Netz abrufen und diese von den geschützten Komponenten an die Netzleitstelle oder ein beliebiges Endgerät übermitteln. Daher kann jedes mikroprozessorgesteuerte Schutzgerät nicht nur Relaisschutzfunktionen erfüllen, sondern im fehlerfreien Normalbetrieb auch Mess-, Steuerungs- und Datenkommunikationsfunktionen ausführen und so die Integration von Schutz, Steuerung, Messung und Datenkommunikation realisieren. Aktuell müssen für Messung, Schutz und Steuerung die Sekundärspannung und der Sekundärstrom aller Betriebsmittel in Freiluft-Umspannwerken, wie Transformatoren und Leitungen, über Steuerleitungen zum Hauptleitstand geführt werden. Die umfangreiche Installation von Steuerleitungen erfordert nicht nur erhebliche Investitionen, sondern verkompliziert auch die Sekundärkreise erheblich. Durch die Installation eines integrierten Computersystems, das Schutz, Steuerung, Messung und Datenkommunikation vereint, in der Nähe der zu schützenden Betriebsmittel im Freiluft-Umspannwerk können Spannung und Strom der Betriebsmittel jedoch in diesem System digitalisiert und über ein Computernetzwerk an den Hauptleitstand übertragen werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer großen Anzahl von Steuerleitungen. Die Verwendung von Glasfaser als Übertragungsmedium minimiert zudem elektromagnetische Störungen. Optische Stromwandler (OTA) und optische Spannungswandler (OTV) befinden sich derzeit in der Forschungs- und Testphase und werden zukünftig unweigerlich in Stromversorgungssystemen eingesetzt. Bei Verwendung von OTA und OTV sollte das Schutzgerät so nah wie möglich an den OTA und OTV, d. h. in der Nähe der zu schützenden Betriebsmittel, platziert werden. Die optischen Signale der OTA und OTV werden in dieses integrierte System eingespeist und in elektrische Signale umgewandelt. Diese Signale dienen sowohl Schutzberechnungen als auch Messungen und werden über das Netzwerk an die Hauptleitstelle übertragen. Von dort können Steuerbefehle für die geschützten Geräte über das Netzwerk an dieses integrierte Gerät gesendet werden, welches anschließend die Leistungsschalterbetätigung ausführt. 1992 schlug die Universität Tianjin die Integration von Schutz, Steuerung, Messung und Kommunikation vor und entwickelte ein integriertes Schutz-, Steuerungs-, Mess- und Datenkommunikationsgerät auf Basis des digitalen Signalprozessors (DSP) TMS320C25. 2.4 Intelligente Integration In den letzten Jahren wurden Technologien der künstlichen Intelligenz wie neuronale Netze, genetische Algorithmen, evolutionäre Programmierung und Fuzzy-Logik in verschiedenen Bereichen der Energietechnik eingesetzt. Auch die Forschung zu deren Anwendung im Relaisschutz hat begonnen. Neuronale Netze stellen eine nichtlineare Abbildungsmethode dar. Viele komplexe nichtlineare Probleme, die sich nur schwer durch Gleichungen formulieren oder lösen lassen, können mithilfe neuronaler Netze leicht gelöst werden. Beispielsweise ist ein Kurzschluss über einen Übergangswiderstand bei großem Systempotenzialwinkel auf beiden Seiten einer Übertragungsleitung ein nichtlineares Problem. Distanzschutz hat Schwierigkeiten, den Fehlerort korrekt zu bestimmen, was zu Fehlauslösungen oder Nichtauslösungen führen kann. Wird jedoch ein neuronales Netzwerk eingesetzt, kann es nach dem Training mit einer großen Anzahl von Fehlerbeispielen, sofern der Datensatz verschiedene Situationen umfassend berücksichtigt, jeden auftretenden Fehler korrekt erkennen. Auch andere Methoden wie genetische Algorithmen und evolutionäre Programmierung besitzen einzigartige Fähigkeiten zur Lösung komplexer Probleme. Die geeignete Kombination dieser Methoden der künstlichen Intelligenz kann die Lösungsgeschwindigkeit erhöhen. Die Universität Tianjin forscht seit 1996 an neuronalen Netzwerk-basiertem Relaisschutz und hat erste Ergebnisse erzielt [8]. Es ist absehbar, dass künstliche Intelligenz im Bereich des Relaisschutzes eingesetzt wird, um Probleme zu lösen, die mit konventionellen Methoden schwer zu bewältigen sind. 3. Fazit: Seit der Gründung der Volksrepublik China hat die Relaisschutztechnologie im chinesischen Stromnetz vier Entwicklungsstufen durchlaufen. Mit der rasanten Entwicklung des Stromnetzes und dem Fortschritt der Computer- und Kommunikationstechnologien steht die Relaisschutztechnologie vor weiteren Entwicklungstendenzen. Der Entwicklungstrend der Relais-Schutztechnik im In- und Ausland ist geprägt von Computerisierung, Vernetzung, Integration von Schutz, Steuerung, Messung und Datenkommunikation sowie künstlicher Intelligenz. Dies stellt die Fachkräfte im Bereich Relais-Schutz vor anspruchsvolle Aufgaben und eröffnet ihnen gleichzeitig ein weites Betätigungsfeld. Referenzen: 1 Wang Meiyi. High Voltage Power Grid Relay Protection Operation Technology. Beijing: Electric Power Industry Press, 1981. 2 He Jiali, Zhang Yuanhui, Yang Nianci. New Type Power Line Carrier Relaying System with Directional Comparison for EHV Transmission Lines. IEEE Transactions PAS-103, 1984(2). 3 Shen Guorong. Research on the Principle of Power Frequency Variation Directional Relay. Automation of Electric Power Systems, 1983(1). 4 Ge Yaozhong. Application of Digital Computer in Relay Protection. Relay, 1978(3). 5 Yang Qixun. Fundamentals of Microcomputer Relay Protection. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1988. 6 He Jiali, Luo Shanshan, Wang Gang, et al. Implementierung eines digitalen verteilten Bus-Schutzsystems. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(4) 7 Wu Bin, Liu Pei, Chen Deshu. Künstliche Intelligenz im Relais-Schutz und ihre Anwendung. Automation of Electric Power Systems, 1995(4) 8 Duan Yuqing, He Jiali. Mikrocomputer-Transformatorschutz basierend auf künstlichen neuronalen Netzen. Proceedings of the CSEE, 1998.