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1. WO2020109002 - VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINES TRANSFORMATORS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Verfahren zur Überwachung eines Transformators

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung mindes tens eines Transformators.

Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinheit mit Mitteln zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bei Ablauf in einer derartigen Steuereinheit.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammpro dukt mit einem Computerprogramm.

Überdies betrifft die Erfindung ein Umrichtersystem mit min destens einem Umrichter, mindestens einem Transformator und einer derartigen Steuereinheit.

Zudem betrifft die Erfindung ein Antriebssystem mit mindes tens einem derartigen Umrichtersystem.

Transformatoren werden beispielsweise in Antriebssystemen verwendet, um einen Umrichter von einem Stromnetz galvanisch zu entkoppeln. Derartige Transformatoren umfassen gekoppelte Leitungen, wobei beispielsweise eine Wicklungsisolierung im Lauf der Zeit verschleißt und zu einem Wicklungskurzschluss oder einen Massekurzschluss führen kann. Derartige Kurz schlüsse führen meist zu Transformatorausfällen, welche sich in der Regel schnell entwickeln. Ein Transformatorausfall führt zu einem Ausfall des gesamten Antriebsstrangs, was zu kostspieligen Ausfallzeiten und zum Austausch des Transforma tors oder gar des gesamten Antriebssystems führt. Daher ist eine kontinuierliche Überwachung und Fehlererkennung erfor derlich, um eine Trafoanomalie in einem frühen Stadium zu er kennen .

Die Patentschrift DE 10 2013 217 672 B3 beschreibt einen Mul-tilevel-Umrichter, wobei vorgeschlagen wird, ein Submodul des Multilevel-Umrichters um eine Kurzschließschaltung zu erwei tern, so dass die Ladung des Kondensators des Submoduls kon trolliert, insbesondere stufenweise über mehrere Reihenschal tungen aus Kurzschließ- und Dämpfungselement, abgebaut werden kann .

Die Offenlegungsschrift EP 1 786 083 Al beschreibt ein Ver fahren und ein System zur Überwachung von Leistungstransfor-matoren, mit dem beginnende Ausfälle in einem Transformator erkannt werden sollen. Zu diesem Zweck werden nur Sensoren außerhalb des Transformators verwendet oder Sensoren, die in stalliert werden können, ohne dass der Transformator geöffnet werden muss. Die Erkennung der beginnenden Ausfälle erfolgt auf der Grundlage mathematischer Verhaltensmodelle, so dass zur Identifizierung der Fehlerbedingungen ein Satz von Mess größen verglichen wird, wobei für jede Variable einige adap tive Schwellenwerte aus den Betriebsbedingungen des Transfor mators berechnet werden. Die mathematischen Modelle umfassen ein Wärmemodell, ein Vibrationsmodell und ein Modell der Feuchtigkeit im Öl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst ein faches und zuverlässiges Verfahren zur Überwachung eines Transformators anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Überwachung mindestens eines Transformators gelöst, welches folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines obj ektspezifischen analytischen Modells des Transformators und eines objektspe zifischen Schwellwerts aus historischen Sensordaten, welche mindestens eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Transformators umfassen, mit Hilfe eines Machine-Learning-Algorithmus , Vergleichen von aktuellen Sensordaten mit Werten aus dem obj ektspezifischen analytischen Modell, Kennzeichnen aktueller Sensordaten, welche um mehr als den obj ektspezifischen Schwellwert von den Werten aus dem Objekt- spezifischen analytischen Modell abweichen, als anormale Wer te und Ausgabe einer Warnung bei einer einstellbaren Anzahl von anormalen Werten.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Steuerein heit mit Mitteln zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gelöst, wobei die Mittel zumindest eine Sensorvorrichtung um fassen .

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Computerprogramm zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bei Ablauf in einer derartigen Steuereinheit gelöst.

Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Com puterprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst.

Überdies wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Um richtersystem mit mindestens einem Umrichter, mindestens ei nem Transformator und einer derartigen Steuereinheit gelöst.

Zudem wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Antriebssys tem mit mindestens einem derartigen Umrichtersystem und min destens einem Motor, welcher mit dem Umrichtersystem verbun den ist, gelöst.

Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuereinheit, das Computerprogramm, das Computerpro grammprodukt, das Umrichtersystem und das Antriebssystem übertragen .

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein modellba siertes Verfahren zur Überwachung eines Transformators anzu geben, wobei ein obj ektspezifisches analytisches Modell und ein obj ektspezifischer Schwellwert aus historischen Sensorda ten mit Hilfe eines Machine-Learning-Algorithmus erstellt werden. Ein analytisches Modell basiert auf einer mathemati schen Beschreibung des Verhaltens des Transformators und ist sowohl einfach als auch genau. Ein obj ektspezifisches Modell und ein obj ektspezifischer Schwellwert werden anhand der his torischen Sensordaten für einen konkreten Transformator er zeugt und hängen von der Betriebsart, der Leistung, der Netz spannung und einer Vielzahl weiterer Parameter des Transfor mators ab. Ein Machine-Learning-Algorithmus benutzt bei spielsweise ein neuronales Netz, welches mit den historischen Daten trainiert wird, und erzeugt ein präzises individuelles Modell. Zur Modell- und Schwellwerterzeugung werden mindes tens eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Transformators herangezogen, da diese Größen einfach und sehr präzise messbar sind. Modell und Schwellenwert stellen den normalen, ungestörten Zustand des Transformators und seine Grenzen dar. Um herauszufinden, ob eine Trafoanomalie vor liegt, werden aktuelle Sensordaten mit Werten aus dem objekt spezifischen analytischen Modell verglichen. Aktuelle Sensor daten, welche um mehr als den obj ektspezifischen Schwellwert von den Werten aus dem obj ektspezifischen analytischen Modell abweichen, werden als anormale Werte gekennzeichnet, wobei eine Warnung bei einer einstellbaren Anzahl von anormalen Werten ausgegeben wird. Beispielsweise wird eine akustische Warnung ausgegeben, sodass ein möglicher Schaden bei einer frühzeitigen Erkennung einer Trafoanomalie begrenzt oder gar vermieden werden kann.

Durch eine Steuereinheit wird der Verfahrensablauf gesteuert. Die Mittel zur Durchführung eines derartigen Verfahrens um fassen beispielsweise einen Speicher, ein Computerprogramm und beispielweise einen Mikrocontroller oder einen anderen programmierbaren Logikbaustein, wodurch eine schnelle Signal verarbeitung ermöglicht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die historischen Sensordaten zum Ausschließen unplausibler Werte vorverarbei tet. Die Vorverarbeitung dient dazu, unplausible Werte auf grund von Sensorfehlern und Werte, die während des Aus-Zustandes des Antriebs gesammelt werden, zu eliminieren und sorgt für eine Verfeinerung des Modells und des Schwellwerts.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Modell eine obj ektspezifische Konstante, welche einer Diffe renz aus mindestens einer Eingangsspannung und mindestens ei ner korrespondierenden Ausgangsspannung des Transformators entspricht. Insbesondere wird die obj ektspezifische Konstante während der Modellbildungsphase an den jeweiligen Transforma tor angepasst. Durch ein derartiges einfaches und individuel les Modell wird die Zuverlässigkeit des Überwachungsverfah rens erhöht.

Besonders vorteilhaft werden für die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung jeweils der Maximalwert des Effektivwerts der jeweiligen Spannung verwendet. Durch die Verwendung des Effektivwerts der, insbesondere sinusförmigen, Signale wird, beispielsweise durch den Wegfall der Phasenbeziehungen, eine Berechnung vereinfacht. Durch die Verwendung des Maximalwerts innerhalb eines Intervalls, welches beispielswiese 30 sek dauert, wird die Datenrate der Sensordaten verringert. Den noch werden punktuell auftretende Auffälligkeiten, insbeson dere im Vergleich zu einer Mittelwertbildung, effektiver er fasst .

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Modell durch den Zusammenhang Vinrmsmax = Voutrmsmax + C darstellbar. Ein der artiger linearer Zusammenhang ist für ein zuverlässiges und einfaches Überwachungsverfahren ausreichend und gewährleistet eine geringe Reaktionszeit bei auftretenden Anomalien.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Mo dell zum Vergleich der aktuellen Sensordaten über eine Rest-ful API abgerufen. REST steht hierbei für REpresentational State Transfer, API für Application Programming Interface.

Die Programmierschnittstelle Restful API bedient sich stan dardisierter Verfahren, wie HTTP/S, URI, JSON oder XML und ist daher zuverlässig.

Besonders vorteilhaft wird eine Größe und/oder ein Zeitstem pel der Abweichungen vom obj ektspezifischen analytischen Mo- dell bereitgestellt. Durch derartige Zusatzinformationen sind zusätzliche Messungen vermeidbar, sodass die Reaktionszeit bei auftretenden Anomalien reduziert wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei ei ner einstellbaren Anzahl von anormalen Werten ein Nutzer und/oder ein Servicemitarbeiter automatisch gewarnt. Durch eine automatische Warnung einer zuständigen Person ermöglicht es das Überwachungsverfahren, auf eine Trafoanomalie in einem frühen Stadium zu reagieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die War nung, insbesondere automatisch, über einen elektronischen Nachrichtendienst bereitgestellt. Elektronische Nachrichten dienste sind beispielsweise Email, SMS oder MMS . Durch eine Übertragung der Warnung über einen elektronischen Nachrich tendienst sind Zusatzinformationen, wie beispielsweise Mes sungen, übertragbar, sodass die Reaktionszeit bei auftreten den Anomalien zusätzlich reduziert wird.

Besonders vorteilhaft wird der mindestens eine Transformator mit einem Umrichter verbunden, wobei die Eingangsspannung und/oder die Ausgangsspannung zumindest teilweise im Umrich ter ermittelt werden. Im Umrichter sind beispielsweise vor handene Messstellen oder Messvorrichtungen verwendbar, was zu einer verbesserten Kostenposition führt. Weniger zusätzliche Messstellen erhöhen die Zuverlässigkeit des Systems.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert .

Es zeigen:

FIG 1 ein Blockschaltbild eines Antriebssystems 2,

FIG 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Transformators,

FIG 3 eine schematische Darstellung eines typischen

Verlaufs einer Übertragungskennlinie eines

Transformators und

FIG 4 eine schematische Darstellung eines typischen

Verlaufs einer Übertragungskennlinie eines

Transformators mit einem Schwellwert.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Kom ponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, wel che die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter bilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Er findung ergänzbar.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Antriebssystems 2, wel ches ein Umrichtersystem 4 und eine elektrische rotierende Maschine 6 umfasst, wobei die elektrische rotierende Maschine 6 als Elektromotor betrieben und vom Umrichtersystem 4 ge speist wird. Alternativ wird die elektrische rotierende Ma schine 6 als Generator betrieben, wobei das Antriebssystem 2 den vom Generator erzeugten Strom über das Umrichtersystem 4 beispielsweise in ein Stromnetz einspeist.

Das Umrichtersystem 4 weist einen Umrichter 8 und einen

Transformator 10 auf, wobei der Transformator 10 primärseitig über Eingangsklemmen 12 mit einem, insbesondere dreiphasigen, Versorgungsnetz verbindbar ist. Ferner ist der Transformator 10 sekundärseitig mit dem Umrichter verbunden, wobei eine galvanische Trennung zwischen der Primärseite und der Sekun- därseite des Transformators 10 besteht. In den Umrichter 8 ist beispielsweise ein Gleichrichter und ein Wechselrichter integriert, wobei ein Leistungssignal einer ersten Frequenz über den Gleichrichter gleichgerichtet und über den Wechsel richter in ein Leistungssignal einer zweiten Frequenz umge wandelt wird. Optional ist der Umrichter 8 als Multilevel-Umrichter ausgeführt, welcher eine Mehrzahl von Zellen auf weist. Bei der Verwendung eines Multilevel-Umrichters weist der Transformator 10 sekundärseitig eine entsprechende Anzahl von Ausgängen auf, welche durch die transformatorische Kopp lung voneinander entkoppelt sind. Durch die Entkopplung sind die Ausgänge der Zellen des Multilevel-Umrichters addierbar.

Über eine primärseitig angeschlossene Sensorvorrichtung 14 werden die Eingangsspannungen der Phasen des Transformators 10 gemessen und an eine zentrale IT-Infrastruktur 16 übertra gen. Die Sensorvorrichtung 14 umfasst beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung, welche die erfassten Spannungswerte über eine Kommunikationsschnittstelle an die zentrale IT-Infrastruktur 16 überträgt. Alternativ weist die Sensorvor richtung 14 eine, insbesondere resistive oder kapazitive, Kopplungsvorrichtung zum Spannungsabgriff auf, wobei die ana logen Spannungswerte in der zentralen IT-Infrastruktur 16 weiterverarbeitet werden. Die zentrale IT-Infrastruktur 16 ist beispielsweise mindestens ein lokales Computersystem und/oder mindestens ein, insbesondere cloudbasiertes offenes, IoT-System. Die zentrale IT-Infrastruktur 16 stellt Speicher platz, Rechenleistung und/oder Anwendungssoftware bereit. In einem IoT-System werden Speicherplatz, Rechenleistung

und/oder Anwendungssoftware als Dienstleistung über das In ternet zur Verfügung gestellt. Insbesondere umfasst die zent rale IT-Infrastruktur 16 ein lokales Computersystem, welches mit einem cloudbasierten offenen IoT-System verbunden ist.

Sekundärseitig werden die Ausgangsspannungen der Phasen des Transformators 10 innerhalb des Umrichters 8 ermittelt und an die zentrale IT-Infrastruktur 16 übertragen. Alternativ wer den die Ausgangsspannungen analog zu den Eingangsspannungen sekundärseitig abgegriffen. Innerhalb der zentralen IT-Infrastruktur 16 wird ein obj ektspezifisches analytisches Mo dell, welches beispielsweise in einem, insbesondere cloudba-sierten, Speicher einer zentralen Modellbibliothek 18 abge legt wird, aus historischen Sensordaten erzeugt. Ferner wird ein obj ektspezifischer Schwellwert Vth für die Eingangsspan nungen und Ausgangsspannungen aus den historischen Sensorda ten ermittelt. Ein analytisches Modell basiert auf einer ma thematischen Beschreibung des Verhaltens des Transformators. Ein obj ektspezifisches Modell und ein obj ektspezifischer Schwellwert Vth werden anhand der Sensordaten für den konkre ten Transformator 10 erzeugt und hängen von der Betriebsart, der Leistung, der Netzspannung und einer Vielzahl weiterer Parameter des Transformators 10 ab. Das Modell und der

Schwellwert Vth werden mit Hilfe eines Machine-Learning-Algorithmus erzeugt. Ein Machine-Learning-Algorithmus benutzt beispielsweise ein neuronales Netz, welches mit historischen Daten trainiert wird. Die Erzeugung des obj ektspezifischen analytischen Modells sowie die Ermittlung des Schwellwerts Vth werden in einer Auswerteeinheit 20 durchgeführt. Bei spielsweise findet zumindest ein Teil der Auswertung cloudba-siert statt. Beispielsweise wird für die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung des Transformators 10 jeweils der Maxi malwert des Effektivwerts der jeweiligen Spannung Vinrmsmax, Voutrmsmax verwendet. Das obj ektspezifische analytische Mo dell ist durch den Zusammenhang

Vinrmsmax = Voutrmsmax + C

beschreibbar, wobei das Modell eine obj ektspezifische Kon stante C umfasst, welche einer Differenz aus mindestens einer maximalen effektiven Eingangsspannung Vinrmsmax und mindes tens einer korrespondierenden maximalen effektiven Ausgangs spannung Voutrmsmax des Transformators 10 entspricht. Die Konstante C wird während der Modellbildungsphase automatisch an den jeweiligen Transformator 10 angepasst.

Mit Hilfe der Auswerteeinheit 20 werden aktuelle Sensordaten mit Werten des auf historischen Daten basierenden objektspe zifischen analytischen Modells verglichen, wobei das Modell zum Vergleich der aktuellen Sensordaten über eine Restful API abgerufen wird. Der Ablauf wird über eine Steuereinheit 22 gesteuert. Die aktuellen Sensordaten, welche um mehr als den obj ektspezifischen Schwellwert Vth von den Werten aus dem ob jektspezifischen analytischen Modell abweichen, werden ge kennzeichnet. Bei einer einstellbaren Anzahl von Abweichungen wird, insbesondere automatisch, eine Warnung an einen Nutzer und/oder einen Servicemitarbeiter ausgegeben. Die Warnung wird beispielsweise über einen elektronischen Nachrichten dienst an einem, insbesondere mobilen, Nutzerendgerät 23 be-reitgestellt . Elektronische Nachrichtendienste sind bei spielsweise Email, SMS oder MMS . Mit der Warnung werden bei spielsweise eine Größe und/oder ein Zeitstempel der Abwei chungen bereitgestellt. Ein mobiles Nutzerendgerät 23 ist beispielsweise ein Smartphone oder ein Tablet.

FIG 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwa chung eines Transformators 10. Bei der Modell- und Schwell werterzeugung 24 werden aus historischen Sensordaten ein ob jektspezifisches analytisches Modell des Transformators 10 sowie ein obj ektspezifischer Schwellwert Vth erzeugt. Optio nal werden die historischen Daten vorverarbeitet, um unplau sible Werte aufgrund von Sensorfehlern und Werte, die während des Aus-Zustandes des Antriebs gesammelt wurden, zu eliminie ren. Die Sensordaten enthalten mindestens eine Eingangsspan nung und eine zugehörige Ausgangsspannung des Transformators 10. Die historischen Sensordaten werden beispielsweise über Monate oder Jahre ermittelt. Auf die Modell- und Schwellwer terzeugung 24 erfolgt ein Vergleich 26 aktueller Sensordaten mit dem obj ektspezifischen analytischen Modell, welches auf historischen Sensordaten basiert. Daraufhin findet eine Kenn zeichnung 26 aktueller Sensordaten, welche um mehr als den obj ektspezifischen Schwellwert Vth von den Werten aus dem ob jektspezifischen analytischen Modell abweichen, als anormale Werte statt. Schließlich erfolgt eine Warnung 28 bei einer einstellbaren Anzahl von anormalen Werten. Die weitere Ausge staltung des Verfahrens zur Überwachung des Transformators 10 in FIG 2 entspricht der in FIG 1.

FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs einer Übertragungskennlinie 30 eines Transformators 10, wobei die maximale effektive Ausgangsspannung Voutrmsmax über die maximale effektive Eingangsspannung Vinrmsmax aufge tragen ist. Die Übertragungskennlinie 30 folgt, wie in FIG 1 beschrieben, dem Zusammenhang

Vinrmsmax = Voutrmsmax + C

Neben der Übertragungskennlinie 30 sind ermittelte Sensorda tenpunkte 32 dargestellt.

FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs einer Übertragungskennlinie 30 eines Transformators mit einem obj ektspezifischen Schwellwert Vth. Zur einfacheren Darstellung des Schwellwerts Vth wird die Differenz der maxi malen effektiven Ausgangsspannung Voutrmsmax zur maximalen effektiven Eingangsspannung Vinrmsmax und der Konstante C über die maximale effektive Eingangsspannung Vinrmsmax aufge tragen. Neben der in FIG 4 waagerecht verlaufenden Übertra gungskennlinie 30 sind die in FIG 3 enthaltenen Sensordaten punkte 32 dargestellt. Der obj ektspezifische Schwellwert Vth ist schlauchförmig um die Übertragungskennlinie 30 angeord net. Einer der Sensordatenpunkte 32 weist eine Abweichung von der Übertragungskennlinie 30 auf, die größer als der objekt spezifische Schwellwert Vth ist. Der Sensordatenpunkt 32 mit einer derartigen Modellabweichung wird als anormaler Wert 34 gekennzeichnet. Das weitere Verfahren entspricht dem in

FIG 2.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung mindestens eines Transformators 10. Damit das Überwachungsverfahren möglichst einfach und zuverlässig durchführbar ist, werden folgende Schritte vorgeschlagen:

Erzeugen eines obj ektspezifischen analytischen Modells des Transformators 10 und eines obj ektspezifischen Schwellwerts Vth aus historischen Sensordaten, welche mindestens eine Ein gangsspannung und eine Ausgangsspannung des Transformators 10 umfassen, mit Hilfe eines Machine-Learning-Algorithmus , Ver gleichen von aktuellen Sensordaten mit Werten aus dem objekt spezifischen analytischen Modell, Kennzeichnen aktueller Sen sordaten, welche um mehr als den obj ektspezifischen Schwell wert Vth von den Werten aus dem obj ektspezifischen analyti-sehen Modell abweichen, als anormale Werte 34 und Ausgabe ei ner Warnung bei einer einstellbaren Anzahl von anormalen Wer ten 34.