СПОСОБ ЦИФРОВОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам релейной защиты магистральных и распределительных электрических сетей, может применяться для защиты линий электропередачи, а также использоваться при реализации резервных защит шин, трансформаторов и др.

В известных дистанционных защитах ЛЭП используются реле сопротивления, реагирующие на величину полного сопротивления поврежденного участка линии [например, Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998, стр.362].

Известен способ цифровой дистанционной защиты [Циглер Г. Цифровая дистанционная защита: принципы и применение / Пер. с англ. под ред. А.Ф.Дьякова. - М.: Энергоатомиздат, 2005, стр.11], заключающийся в измерении мгновенных значений токов и напряжений в месте установки защиты, вычислении на их основе величины полного сопротивления, характеризующей повреждение, и сравнении ее с уставками зон.

Однако известный способ цифровой дистанционной защиты обладает низкой устойчивостью функционирования.

В релейной защите под устойчивостью функционирования [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.31-32] понимается способность устройств релейной защиты сохранять стабильность измерения и обеспечивать точность измерения, характеристики, параметры и уставки, при условиях установившихся режимов и переходных процессов.

Установившиеся режимы характеризуются статистической устойчивостью, а режимы, связанные с переходными процессами, динамической устойчивостью.

Для обоснования преимуществ предлагаемого способа цифровой дистанционной защиты из общего числа факторов, влияющих на устойчивость релейной защиты [Шнеерсон Э.М. Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. - М.: Энергоиздат, 1981], выберем, например:

- отклонения частоты электроэнергетической системы (ГОСТ 13109-97);

- апериодическую составляющую аварийного режима;

- наличие гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц (ГОСТ 13109-97).

Для токов и напряжений, содержащих переходную (апериодическую) составляющую, справедливы одни и те же соотношения, описывающие их форму [например, Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты и автоматики. - М.: Высшая школа, 1968, стр.183-184]. Очевидно, что в случаях отклонения частоты и наличия гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц, похожесть токов и напряжений также сохраняется. Мерой оценки степени похожести, статистической взаимосвязи сигналов (в том числе несинусоидальной формы) выступает их взаимная корреляция [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981]. Именно это обстоятельство используется для выделения (цифровой фильтрации) синусоидальных составляющих частоты f=50 Гц в цифровых измерительных органах релейной защиты посредством дискретного преобразования Фурье (ДПФ) [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.108-128; Куликов А.Л., Мисриханов М.Ш. Введение в методы цифровой релейной защиты высоковольтных ЛЭП: Учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.101-121]. При этом в качестве коэффициентов импульсной характеристики цифрового фильтра (синусного и косинусного) выступают нормированные отсчеты синусоидального сигнала. Сам цифровой фильтр реализует операцию цифровой свертки (корреляции) отсчетов входного сигнала с коэффициентами импульсной характеристики фильтра. Например, при отклонениях частоты входного сигнала от f=50 Гц из-за разрушения «похожести» отсчетов (статистической взаимосвязи) сигнала и коэффициентов импульсной характеристики возникают ошибки, которые могут достигать - 2,3÷1,8% при отклонениях частоты Δf=±2 Гц [Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи / Под ред. В.А.Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2003, стр.89].

Если при цифровой фильтрации (корреляции) использовать в качестве отсчетов входного сигнала - отсчеты напряжения, а в качестве коэффициентов импульсной характеристики - отсчеты тока (или наоборот), то обеспечится:

- вычисление дискретной мощности (энергии, передаваемой от места установки защиты к потребителям, рассчитанной за интервал временного анализа релейной защиты) на выходе цифрового фильтра (коррелятора);

- адаптация к отклонениям частоты электроэнергетической системы, поскольку эти отклонения частоты одинаково влияют как на токи, так и на напряжения;

- учет апериодической составляющей и гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц в результирующем расчете дискретной мощности.

Отметим, что учет апериодической составляющей и гармоник частот f_i≠50 Гц (i=1, 2, …) в конечных вычислениях дискретной мощности нужен и важен, так как дистанционный принцип справедлив не только для частоты f=50 Гц, но и для других частот и их сумм. Это объясняется распространением закона Ома на всевозможные виды сигналов. С этой точки зрения доказательна и корреляционная связь между током I и напряжением U (в том числе и мгновенных значений), определяемая прямопропорциональной зависимостью

U=Z·I,

где Z - комплексное сопротивление.

Как известно, линейносвязанные величины имеют модуль коэффициента корреляции равным единице [например, Венцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1964].

Для получения аналога традиционных цифровых дистанционных расчетов необходимо отнормировать корреляцию совокупностей мгновенных значений токов и напряжений (дискретную мощность).

При этом если дискретную мощность, рассчитанную в интервале анализа релейной защиты, разделить на нормирующий коэффициент (величину), представляющий сумму квадратов мгновенных значений (рассчитанных в том же интервале):

- токов, то получим аналог сопротивления;

- напряжений, то получим аналог проводимости.

Возможны и другие варианты, например когда в качестве нормирующей величины (коэффициента) выступает корень квадратный из суммы квадратов мгновенных значений токов (напряжений). В этом случае итоговая расчетная величина имеет аналог напряжения (тока).

Таким образом, с помощью определения предложенных выше результирующих величин обеспечивается реализация способа цифровой дистанционной защиты и достигается:

- совпадение результатов при строго гармонических токах и напряжениях с традиционными дистанционными цифровыми измерениями;

- повышение устойчивости цифровой дистанционной защиты при соответствующих отклонениях токов и напряжений от синусоидальной формы.

Задача изобретения - повышение устойчивости функционирования цифровой дистанционной защиты.

Поставленная задача достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом цифровой дистанционной защиты, заключающимся в измерении мгновенных значений токов и напряжений в месте установки защиты, вычислении их на основе результирующей величины, характеризующей повреждение, и сравнении ее с уставками зон, согласно предложению дополнительно определяют степень статистической взаимосвязи мгновенных значений токов и напряжений на основе их взаимной корреляции, а результирующую величину получают последующим ее нормированием на энергию сигнала тока или напряжения. Энергия сигнала тока или напряжения рассчитывается путем суммирования квадратов мгновенных значений тока или напряжения.

Предлагаемый способ может быть реализован различными устройствами цифровой релейной защиты, в частности устройством, представленным на чертеже.

Устройство цифровой дистанционной защиты содержит: формирователь аналоговых сигналов 1, блок аналого-цифрового преобразования 2, генератор тактовых импульсов 3, блок общей памяти 4, каналы обработки информации 5 (содержащие цифровые корреляторы (фильтры) 6, квадраторы 7, накаливающие сумматоры 8, блоки деления 9), устройство связи 10, микроЭВМ верхнего уровня 11, блок ввода 12, блок вывода 13, пульт управления 14, блок отображения информации 15.

Элементы устройства цифровой дистанционной защиты соединены следующим образом. На входы формирователя аналоговых сигналов 1 подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов 1 через блок аналого-цифрового преобразователя 2 подключен к блоку общей памяти 4 и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования 2. Устройство связи 10 своими первым, вторым и третьим входами/выходами соединено соответственно с микроЭВМ 11 верхнего уровня, блоком общей памяти 4 шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода 12 и вывода 13, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты. Выход пульта управления 14 и вход блока отображения информации 15 также подключены к шине обмена. В каналах обработки информации 5 первый и второй входы цифрового коррелятора 6 являются входами канала обработки информации 5, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) 6 соединен со входом квадратора 7, выход которого через накапливающий сумматор 8 соединен с первым входом блока деления 9. Выход блока деления 9 является выходом канала обработки информации 5, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра) 6. Выходы каналов обработки объединены и соединены со входом устройства связи 10, а входы каналов обработки информации 5 подключены к блоку общей памяти 4.

Способ цифровой дистанционной защиты реализуется следующим образом.

Следует отметить, что в устройстве цифровой дистанционной защиты используются действительные мгновенные значения токов и напряжений, а не комплексные отсчеты токов и напряжений, что существенно отличает структуру и функционирование предлагаемого устройства от аналогов.

Устройство реализует комплекс функций трехступенчатой многофазной цифровой дистанционной защиты, обеспечивая за интервал дискретизации выполнение следующих основных операций:

- преобразование в цифровую форму восьми дискретных сигналов u_A(nT), u_B(nT), u_C(nT), u_O(nT), i_A(nT), i_B(nT), i_C(nT), i_O(nT) с использованием формирователя аналоговых сигналов (ФАС) 1, блока аналого-цифрового преобразования 2, генератора тактовых импульсов 3;

- хранение и выборку мгновенных значений токов и напряжений блоком общей памяти 4;

- расчеты нормированной взаимной корреляции совокупностей мгновенных значений токов и напряжений в каналах обработки информации 5;

- сравнение значений нормированных взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с уставками зон в микроЭВМ 11 верхнего уровня (три ступени по три фазы);

- блокировку при качаниях.

МикроЭВМ 11 верхнего уровня обеспечивает выполнение основных алгоритмов дистанционной защиты на основе расчетов нормированных значений корреляций мгновенных значений совокупностей токов и напряжений, хранимых в блоке общей памяти 4. Размеры совокупностей зависят от выбранного временного интервала анализа дистанционной защиты. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f=50 Гц) и соответствует T=20 мс. В течение этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых (N) определяется отношением интервала T_a к интервалу дискретизации T

Устройство 10 организует связь микроЭВМ 11 с блоком общей памяти 4 и внешними устройствами (12, 13, 14, 15).

Блок ввода 12 обеспечивает поступление сигналов x₁, …, x_k от внешних объектов, появление которых вызывает изменение программы выполнения логической части защиты (сигналы ускорения, АПВ и т.д.) в микроЭВМ 11 верхнего уровня.

Блок вывода 13 реализует передачу управляющих сигналов y₁, …, y_q от защиты к другим устройствам (выключатели, регистраторы аварийных событий, сторонние комплекты релейных защит и др.). Указанные устройства на чертеже не показаны. Пульт управления 14 служит для ввода уставок и опробирования защиты.

Блок отображения информации 15 участвует при опробовании защиты, контроле уставок, индикации повреждений.

В связи с необходимостью реализации трех быстродействующих цифровых измерительных органов с большим числом операций умножения и сложения в устройстве цифровой дистанционной защиты введены специальные каналы обработки информации 5. Операции сложения и умножения являются основой цифровой обработки мгновенных значений токов и напряжений, выполняемой с использованием цифровых корреляторов (фильтров) 6, а также квадраторов 7, накапливающих сумматоров 8. С помощью указанных элементов 6, 7, 8 и блока деления 9 реализуется вычисление нормированной взаимной корреляции совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, соответствующих каналам обработки 5. При этом выборочный массив мгновенных значений напряжений из блока общей памяти 4 подается на первый вход цифрового коррелятора (фильтра) 6, а выборочный массив мгновенных значений тока - на второй вход цифрового коррелятора (фильтра) 6. В случае использования цифрового фильтра (вместо коррелятора) в каналах обработки информации 5, выборочные массивы мгновенных значений тока подаются на выходы импульсной характеристики цифрового фильтра.

Наряду с цифровым коррелятором мгновенные значения тока подаются на квадратор 7 и в последующем на накапливающий сумматор 8. В результате вычислительных операций, выполняемых блоками 7 и 8, формируется нормирующий коэффициент, представляющий из себя сумму квадраторов мгновенных значений токов.

В последующем осуществляется деление блоком 9 результатов взаимной корреляции мгновенных значений токов и напряжений с выхода цифрового коррелятора 6 на нормирующий коэффициент с выхода накаливающего сумматора 8. Нормированные значения взаимной корреляции являются результатом вычислительных операций каналов обработки информации и через устройство связи 10 поступают в микроЭВМ 11 верхнего уровня.

В процессе работы устройства цифровой дистанционной защиты микроЭВМ 11 верхнего уровня реализует следующие основные функции:

- получение информации через блок ввода 12 о наличии внешних приоритетных сигналов и соответствующая перестройка логической части защиты;

- реализация алгоритма блокировки при качаниях;

- формирование характеристик срабатывания отдельных ступеней защиты на основе информации, поступающей с пульта управления 14 и сигналов x₁, …, x_k;

- ввод через устройство связи 10 нормированных значений взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, поступающих с выходов каналов обработки информации 5 (соответствующих сопротивлениям традиционной многообразной цифровой дистанционной защиты);

- сопоставление с характеристиками срабатывания вычисленных значений нормированных взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с уставочными значениями характеристик срабатывания;

- выполнение необходимых логических операций в зависимости от входных дискретных сигналов x₁, …, x_k блока ввода 12; необходимости блокировки при качаниях; а также результатов сравнения нормированных значений взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с характеристиками срабатывания (уставками зон);

- вывод сигналов y₁, …, y_q, обеспечивающих отключение защищаемого объекта, а также и другие защиты.

Таким образом, на основе текущей информации о входных сигналах напряжения и тока, входных сигналов x₁, …, x_k, микроЭВМ 11 верхнего уровня вырабатывает необходимые решения, характеризуемые сигналами y₁, …, y_q. Функционирование устройства цифровой дистанционной защиты характеризуется периодичностью, определяемой интервалом дискретизации (T).

Следует отметить, что предлагаемый способ цифровой дистанционной защиты обеспечивает (как указывалось ранее) большую устойчивость функционирования при воздействии различного рода факторов.