Способ быстродействующего включения резервного электропитания и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к способам и устройствам противоаварийной автоматики подстанций напряжением 6-35 кВ, и может быть использовано для быстрого обнаружения повреждений в питающей сети распределительного устройства в момент их возникновения с целью осуществления быстродействующего переключения потребителей на резервный источник питания.

Известен способ автоматического включения резервного электропитания потребителей [Патент на изобретение РФ №2398338, МПК МПК H02J 9/06, опубл. 27.08.2010 г., бюл. №24], заключающийся в измерении напряжения прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, измерении отдельно для каждой из трех фаз на вводе основного источника значения действующего тока в фазе и значения угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и векторной суммой комплексного действующего напряжения между двумя другими фазами на шинах основного источника и принимаемой равной от 0 до 50% доли одноименного комплексного действующего напряжения на шинах резервного источника, измерении изменения угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников за заданный промежуток времени и переключении питания шин основного источника на резервный при снижении любого из измеряемых напряжений на шинах основного источника ниже заданного значения или при увеличении угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников выше заданного значения или при изменении угла между векторами напряжений прямой последовательности шин основного и резервного источников за заданный промежуток времени выше заданного значения, когда одновременно с этим значение действующего тока в любой из фаз на вводе основного источника питания и значение угла между вектором комплексного действующего тока в этой же фазе и вышеуказанной векторной суммой достигают заданной области значений, и напряжение прямой последовательности на шинах резервного источника питания превышает заданное значение.

Недостатками этого способа являются ложное срабатывание при управлении с последующим несинхронным включением нагрузки из-за колебаний результирующего вектора напряжения блоков особых релейных органов, а также низкое быстродействие.

Известно устройство для автоматического включения резервного электропитания потребителей [Патент на изобретение РФ №2398338, МПК МПК H02J 9/06, опубл. 27.08.2010 г., бюл. №24], содержащее основной и резервный источники питания, вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, шины основного и резервного источников питания, комплект измерительных трансформаторов тока на вводе основного источника питания, комплекты измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания, пусковое устройство автоматического включения резерва, содержащее блок восстановления третьего фазного тока, снабженный тремя выходными каналами аналого-цифровой преобразователь токов, вход которого соединен с выходом комплекта измерительных трансформаторов тока через блок восстановления третьего фазного тока, снабженные тремя выходными каналами аналого-цифровые преобразователи напряжений, входы которых соединены с выходами комплектов измерительных трансформаторов напряжения на шинах основного и резервного источников питания, блоки определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, входы которых соединены с выходными каналами аналого-цифровых преобразователей напряжений на шинах основного и резервного источников питания соответственно, релейный блок максимального напряжения, вход которого соединен с выходом блока определения напряжения прямой последовательности на шинах резервного источника питания, релейный блок определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, устройство, осуществляющее переключение на резервный источник питания с замыканием главных контактов секционного выключателя в момент времени, близкий к синфазному между одноименными напряжениями на шинах основного и резервного источников питания, активирующееся при поступлении от пускового устройства команды включения резерва, пусковое устройство автоматического включения резерва содержит блоки особых релейных органов пофазного контроля направления тока, каждый из которых соответственно соединен с одним из трех выходных каналов аналого-цифрового преобразователя токов, являющимся каналом тока в одной из фаз основного источника питания, одним из трех выходных каналов аналого-цифрового преобразователя напряжений на шинах основного источника питания, являющимся каналом напряжения на шинах основного источника между двумя другими фазами, и одним из трех выходных каналов аналого-цифрового преобразователя напряжений на шинах резервного источника питания, являющимся каналом напряжения на шинах резервного источника между теми же фазами, что и на шинах основного источника, релейный блок минимального напряжения из трех, входы которого соединены с выходными каналами аналого-цифрового преобразователя напряжений на шинах основного источника питания, релейный блок определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, соответствующие входы которого соединены с блоками определения напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, логический элемент «И-НЕ», соответствующие входы которого соединены с выходами блоков особых релейных органов пофазного контроля направления тока, логический элемент «И», соответствующие входы которого соединены с выходами релейного блока минимального напряжения из трех, релейного блока максимального напряжения и логического элемента «И-НЕ», второй логический элемент «И», соответствующие входы которого соединены с выходами релейного блока максимального напряжения, релейного блока определения угла между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, логического элемента «И-НЕ», третий логический элемент «И», входы которого соединены с выходами релейного блока максимального напряжения, релейного блока определения изменения угла за фиксированный интервал времени между векторами напряжений прямой последовательности на шинах основного и резервного источников питания, логического элемента «И-НЕ», логический элемент «ИЛИ», соответствующие входы которого соединены с выходами трех логических элементов «И», выходной блок, вход которого соединен с выходом логического элемента «ИЛИ», а выход - с вводным выключателем основного источника питания по каналу отключения выключателя и с секционным выключателем по каналу его включения через устройство выбора условий осуществления переключения на резервный источник питания, активирующееся при поступлении от пускового устройства команды включения резерва.

Недостатками этого устройства являются также ложное срабатывание при управлении с последующим несинхронным включением нагрузки из-за колебаний результирующего вектора напряжения блоков особых релейных органов, а также низкое быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности является способ быстродействующего включения резервного электропитания [Патент на изобретение РФ №2662639, МПК H02J 9/06, опубл. 26.07.2018 г., бюл. №21], заключающийся в том, что переключают секцию шин с основного на резервный источник питания при изменении знака мощности хотя бы в одной фазе или уменьшении тока ввода любой фазы ниже заданного значения и одновременном уменьшении напряжения прямой последовательности шин основного источника питания ниже заданного значения или при увеличении угла между векторами напряжения прямой последовательности вводов больше заданного значения, в то время как линейные напряжения на резервном вводе превышают заданное значение. Согласно данному способу для достоверного определения направления мощности значения тока фазы умножают на задержанные на время Т значения линейного напряжения между двумя другими фазами этого же ввода, полученное значение интегрируют на интервале равном периоду промышленной частоты и определяют знак результата, при этом время задержки Т выбирается с учетом периода промышленной частоты и заданного угла максимальной чувствительности.

Недостатком этого способа является низкое быстродействие, так как требуется длительное время для обработки комплексных значений токов и напряжений каждой секции.

Наиболее близким по технической сущности является устройство быстродействующего включения резервного электропитания [Патент на изобретение РФ №2662639, МПК H02J 9/06, опубл. 26.07.2018 г., бюл. №21], содержащее вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, измерительные трансформаторы напряжения на шинах основного и резервного источников, трансформатор тока на вводе основного источника питания, пусковое устройство, выходы которого подключены через блок управления к вводному и секционному выключателям, релейный блок максимального напряжения, вход которого соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения резервного источника питания, релейный блок минимального напряжения, вход которого соединен с измерительными трансформаторами напряжения основного источника питания, релейных блоков определения угла между векторами напряжений прямой последовательности основного и резервного источников питания, входы которых подключены к соответствующим измерительным трансформаторам напряжения основного и резервного источников питания, соединенными таким образом, что выход блока минимального напряжения вместе с тремя выходами блоков определения угла между векторами напряжений подключены к входам логического элемента «4ИЛИ», при этом быстродействующее пусковое устройство содержит цепь блокировки, состоящую из релейного блока минимального напряжения, который через элемент выдержки времени подключен к первому входу логического элемента «4И», блоки определения направления мощности в фазах ввода, состоящих из умножителя, первый вход которого подключен к измерительному трансформатору тока и одновременно входу блока определения минимального тока, линии задержки, включенной между выходом измерительного трансформатора напряжения и вторым входом умножителя, сумматора-накопителя, подключенного своим входом к выходу умножителя, блока определения знака, подключенного к выходу сумматора-накопителя, элемента «2ИЛИ», входы которого подключены соответственно к выходу блока определения минимального тока и блоку определения знака, при этом выходы элементов «2ИЛИ» каждого блока объединены элементом «3ИЛИ» и подключены к четвертому входу элемента «4И», в то время как третий вход элемента «4И» подключен к выходу релейного блока максимального напряжения, второй вход элемента «4И» подключен к выходу элемента «4ИЛИ», при этом выход логического элемента «4И» подключен к входу блока управления выключателями.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью получения на каждом шаге дискретизации точного положения векторов, а также среднеквадратических значений, расчет которых производится на интервале как минимум одного периода промышленной частоты.

Технической задачей изобретения является повышение быстродействия включения резервного электропитания и простота реализации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение скорости реакции на возникновение аварийного режима в цепях электроснабжения ответственных потребителей, что позволяет в независимости от характера повреждения и типа нагрузки выявить аварийный процесс уже на следующем шаге дискретизации.

Этот технический результат достигается способом быстродействующего включения резервного электропитания, заключающемся в том, что измеряют аналоговые значения тока и напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, получают цифровой эквивалент входных значений с заданным интервалом частоты дискретизации с помощью аналого-цифровых преобразователей, переключают секцию шин с основного на резервный источник питания при отклонении контролируемых величин от предварительно заданных уставками значений, свидетельствующих о возникновении аварийной ситуации, блокируют пусковое устройство, при этом вводят цифровую модель, используют дифференциальный сигнал для формирования условия запуска, который получают как разность очередной выборки контролируемого сигнала и прогнозируемого значения, полученного с выхода соответствующей цифровой модели и, в случае превышения заданного значения и отсутствия блокирующих сигналов, формируют сигнал запуска пускового устройства с одновременным переключением секции шин на резервный источник электропитания.

Дополнительно значение на выходе цифровой модели может быть получено на основе выборок входного сигнала сдвинутых на время Т относительно текущего значения, где Т кратно периоду промышленной частоты.

Дополнительно значение на выходе цифровой модели может быть получено путем цифровой фильтрации контролируемого сигнала.

Дополнительно значение на выходе цифровой модели может быть получено выборкой i-го значения из массива данных, представленных в табличной форме, умноженному на заданное значение амплитуды А.

Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство быстродействующего включения резервного электропитания, содержащее вводные выключатели основного и резервного источников питания, секционный выключатель, измерительные трансформаторы напряжения, расположенные на секциях шин основного и резервного источников питания, измерительные трансформаторы тока, расположенные на вводе основного и резервного источника питания, микропроцессорное пусковое устройство, содержащее аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения, элементы сравнения с заданной величиной уставки, блок определения готовности, двух- и трехвходовых логические элементы «И», снабжено блоком аналогово-цифровых преобразователей, дифференциальными блоками, входы которых подключены к соответствующим выходам блока аналогово-цифровых преобразователей, а выходы подключены к элементам сравнения с заданной величиной уставки.

Дополнительно дифференциальный блок может быть выполнен из элемента задержки Т, имеющего время задержки кратное периоду промышленной частоты, и сумматора-вычитателя, подключенного первым своим входом к выходу блока аналогово-цифровых преобразователей и одновременно входу элемента задержки Т, а вторым входом к выходу элемента задержки Т.

Дополнительно дифференциальный блок может быть выполнен из нерекурсивного цифрового фильтра и сумматора-вычитателя, подключенного первым своим входом к выходу блока аналогово-цифровых преобразователей и одновременно входу нерекурсивного цифрового фильтра, а вторым входом к выходу нерекурсивного цифрового фильтра.

Дополнительно дифференциальный блок может содержать генератор индексов, блок памяти, умножитель на произвольное значение А, сумматор-вычитатель, соединенные таким образом, что входной сигнал от блока аналогово-цифровых преобразователей поступает на вход синхронизации генератора индексов и одновременно на первый вход сумматора-вычитателя, выход генератора индексов подключен ко входу блока памяти, умножитель первым своим входом подключен к выходу блока памяти, вторым входом подключен к элементу хранения значения А, при этом выход умножителя подключен ко второму входу сумматора-вычитателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана однолинейная схема распределительного устройства, на фиг. 2 представлены способы реализации цифровой модели, на фиг. 3 представлена осциллограмма работы микропроцессорного пускового устройства.

Способ быстродействующего включения резервного электропитания осуществляют следующим образом.

Измеряют аналоговые значения тока и напряжения прямой последовательности шин основного и резервного источников питания, получают цифровой эквивалент входных значений с заданным интервалом частоты дискретизации с помощью аналого-цифровых преобразователей. Переключают секцию шин с основного на резервный источник питания при условии превышения величины дифференциального сигнала контролируемых каналов предварительно заданного уставками значения и одновременном отсутствии блокирующих сигналов. Дифференциальный сигнал получают путем нахождения разности очередной выборки контролируемого сигнала и прогнозируемого значения. Прогнозируемое значение получают с выхода цифровой модели.

Цифровая модель может быть получена тремя способами когда очередное значение на выходе цифровой модели получают: на основе выборок входного сигнала сдвинутых на время Т относительно текущего значения, где Т кратно периоду промышленной частоты, способом цифровой фильтрации контролируемого сигнала, получают путем выборки i-го значения из массива данных, представленных в табличной форме, и умноженному на заданное значение амплитуды А.

Использования цифровой модели контролируемой величины, например, на основе дифференциальных блоков, на выходе которой можно получить ожидаемые значения моделируемого сигнала приводит к повышению быстродействия включения резервного электропитания. При сравнении выборок контролируемого сигнала X на каждом шаге дискретизации n с ожидаемыми значениями цифровой модели М можно получить разностный или дифференциальный сигнал dY, который определяется выражением (1).

В качестве цифровой модели могут быть использованы: данные предыдущего периода контролируемого сигнала, результаты цифровой фильтрации контролируемого сигнала, табулированные значения произвольных функций, с последующим умножением на заданное значение амплитуды А. В последнем случае для получения минимального расхождения в установившемся режиме, цифровая модель должна быть синхронизирована по фазе с огибающей входного сигнала.

Анализ дифференциального сигнала позволяет оперативно оценить степень отклонения входной величины от ожидаемого значения, что позволяет быстро отследить скачкообразные изменения контролируемых величин, уменьшая, таким образом, время реакции алгоритма в пределе до одного периода частоты дискретизации Td. Анализ дифференциального сигнала обеспечивает оперативное выявление ситуаций, когда пусковое устройство не должно срабатывать, например, при всех видах коротких замыканиях в нагрузке, включая замыкания на землю. При этом относительно медленные изменения контролируемых величин могут отслеживаться традиционными способами путем вычисления действующих значений и ортогональных составляющих в фоновом режиме. Учитывая высокое быстродействие и наличие помех в промышленной сети, дифференциальный сигнал интегрируется и сравнивается с предварительно заданными значениями уставок для оценки степени расхождения контролируемой величины от ожидаемых значений. Дальнейшая логическая обработка сигналов может осуществляться различными способами, один из которых рассмотрен в устройстве, реализованном согласно предлагаемому способу.

Устройство для реализации способа быстродействующего включения резервного электропитания содержит измерительные трансформаторы тока 1, 2, установленные на вводах основного и резервного источников питания, вводные выключатели 3, 4 основного и резервного источников питания, секционный выключатель 5, измерительные трансформаторы напряжения 6, 7 на секциях шин основного и резервного источников питания, микропроцессорное пусковое устройство (МПУ), выходы которого подключены через блок управления выключателями 8 к вводным 3, 4 и секционному 5 выключателям. МПУ содержит блок аналогово-цифровых преобразователей 9, подключенный своими входами к измерительным трансформаторам тока 1, 2 и напряжения 6, 7, а выходами к входам дифференциальных блоков 10 контроля входных напряжений и токов и к входам блока определения готовности 11, при этом выходы дифференциальных блоков 10 контроля входных напряжений и токов подключены к элементам сравнения 12-17 с заданной величиной уставки, логические выходы элементов сравнения 12-17 с заданной величиной уставки соединены с логическим блоком пускового устройства (ЛБП), состоящим из логических элементов трехвходовых «3И» 18, 19 и двухвходовых «2И» 20, 21, при этом первые входы логических элементов «2И» 20, 21 подключены соответственно к выходам логических элементов «3И» 18, 19, а вторые входы объединены и подключены к логическому выходу блока определения готовности 11.

Устройство для реализации способа быстродействующего включения резервного электропитания работает следующим образом.

При включении устройства блок определения готовности 11 проверяет ряд условий: наличие и соответствие номинальным значениям фазных напряжений, сигналов несимметрии, токов первой и второй секции шин, правильности чередования фаз и углов трехфазных систем, отсутствие превышения фазового сдвига между трехфазными системами секций, соответствие состояния выключателей исходному положению. Оцифрованные величины контролируемых сигналов с выходов блока аналогово-цифровых преобразователей 9 поступают на входы блока определения готовности 11, а также на входы дифференциальных блоков 10 контроля входных напряжений и токов. В случае выполнении всех условий на выходе блока определения готовности 11 появляется сигнал лог. 1, который разрешает работу МПУ.

Дополнительно в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения (см. фиг. 2) дифференциальный блок 10 содержит элемент задержки Т 22 и сумматора-вычитатель 23, подключенный первым своим входом к выходу блока аналогово-цифровых преобразователей 9 и одновременно входу элемента задержки Т 22, в то время как второй вход сумматора-вычитателя 23 подключен к выходу элемента задержки Т 22.

На положительный вход сумматора-вычитателя 23 непосредственно подаются выборки входного сигнала, а на отрицательный - выборки входного сигнала задержанные на время Т, кратное периоду промышленной частоты. В данном случае элемент задержки Т 22 является элементарной цифровой моделью, которая позволяет спрогнозировать очередное значение входной величины на основе значений предыдущего периода.

Дополнительно во втором способе реализации изобретения (см. фиг. 2) дифференциальный блок 10 содержит нерекурсивный цифровой фильтр 24 с коэффициентами b₀…b_j, где j кратно отношению частоты дискретизации к частоте промышленной сети (j=Fd/Fc), и сумматор-вычитатель 23, подключенный первым своим входом к выходу блока аналогово-цифровых преобразователей 9 и одновременно входу нерекурсивного цифрового фильтра 24, а вторым входом подключенный к выходу нерекурсивного цифрового фильтра 24.

Дополнительно в третьем способе реализации изобретения (см. фиг. 3) дифференциальный блок 10 содержит сумматор-вычитатаель 23, генератор индексов G 25, синхронизированных с периодом контролируемого сигнала, блок памяти 26 с произвольной выборкой и умножитель 27 на произвольное значение А. Выход генератора индексов G 25 подключен ко входу блока памяти 26, умножитель 27 первым своим входом подключен к выходу блока памяти 26, вторым входом подключен к элементу хранения значения А, при этом выход умножителя 27 подключен ко второму входу сумматора-вычитателя 23.

Входной сигнал поступает на вход синхронизации генератора индексов G 25 и одновременно на первый вход сумматора-вычитателя 23. Генератор индексов G 25 тактируется частотой дискретизации, выдавая на каждом шаге последовательно увеличивающееся значение индекса в диапазоне от 0 до k, где k кратно отношению частоты дискретизации к частоте промышленной сети. В качестве величины А могут использоваться как расчетные значения, так и значения заданные уставками. Блок памяти 26 представляет собой индексируемую таблицу данных, где последовательно записаны выборки одного или нескольких периодов сигнала с огибающей произвольной формы.

Во всех случаях выходные сигналы от дифференциальных блоков 10 поступают на элементы сравнения 12-17 с заданной величиной уставки для оценки степени отклонения величины сигнала от заданного значения.

ЛБП обеспечивает логику МПУ, проверяя отсутствие блокирующих логических сигналов, таких как превышение максимального тока или превышение напряжения несимметрии 3Uo свыше значений заданных уставками и, одновременно, наличие разрешающих, таких как снижение фазного напряжения ниже допустимой величины, изменение фазового сдвига выше допустимого значения, наличие сигнала готовности к переключению. В соответствии со схемой устройства (см. фиг. 1) блокирующими сигналами будут являться лог.«0» на инвертированных выходах элементов сравнения 12, 13, 15, 17, разрешающими - соответственно лог.«1» на прямых выходах элементов сравнения 14 и 16. При выполнении всех условий сигнал лог. 1 с выхода ЛБП «Пуск 1СШ» («Пуск 2СШ») поступает на вход блока управления выключателями 8, который переводит соответствующую секцию шин на резервный источник электропитания.

Эффективность способа и заявленное быстродействие подтверждаются приведенной осциллограммой снятой с рабочего устройства (см. фиг. 3).

Использование предлагаемого способа быстродействующего включения резервного электропитания и устройства для его осуществления позволяет с высокой эффективностью и максимально высоким быстродействием выявить аварийный процесс непосредственно в момент его возникновения, и на практике, в комплекте с быстродействующими выключателями, позволяет получить минимальную бестоковую паузу в процессе ликвидации аварийного режима. Предлагаемый способа быстродействующего включения резервного электропитания и устройство для его осуществления просты в реализации и могут быть использованы в устройствах защиты для быстрого обнаружения нарушений электроснабжения потребителей при любых видах повреждений в питающей сети и секциях шин.