Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ

Область техники

Настоящее изобретение относится способу и устройству для контроля чувствительности функции защиты, используемой в электроэнергетической системе, такой как система генерации электроэнергии, например, ядерная энергетическая установка или система передачи и распределения электроэнергии. Изобретение применимо к цифровому релейному устройству, в котором функция защиты установлена для защиты других устройств в электроэнергетической системе. Функция защиты может, например, быть дифференциальной функцией защиты, функцией защиты от перегрузки по току, функцией дистанционной защиты или функцией защиты на основе сравнения направлений мощностей.

Предшествующий уровень техники

Типовая функция защиты основана на тестовом значении, которое является либо измеренным значением, таким как значение тока или напряжения, либо значением, выведенным из анализа ряда измеренных значений. Тестовое значение может также быть неэлектрической величиной, такой как температура или амплитуда вибрации. Чтобы обнаружить, следует ли предпринимать некоторое действие или никакого действия предпринимать не нужно, тестовое значение сравнивается с пороговым значением. Если тестовое значение находится на опасной стороне от порога, то предпринимается действие. Например, сигнал размыкания подается на размыкатель, который в свою очередь управляется таким образом, чтобы предохранить другие устройства в электроэнергетической системе от повреждения. В простых случаях порог представляет собой только постоянное значение, тогда как в более сложных функциях защиты он может зависеть от времени и от других измеренных значений. Принцип, однако, является тем же самым. Качество или точность измеренного значения может изменяться вследствие различных факторов; например, в электроэнергетической системе различные уровни напряжения, требования по номинальному току и методы заземления могут обеспечивать измеренные значения с различными уровнями точности.

Ненадлежащее действие, основанное на измеренных значениях, может сформировать неожиданный результат. Например, в случае, когда действие, которое должно быть предпринято в ответ на сбой, не инициируется, ущерб будет нанесен, как следствие, устройствам в электроэнергетической системе. Поэтому функции защиты обычно разрабатываются для высокой надежности. Обычная проблема с функцией защиты, обладающей высокой надежностью, состоит в том, что функция защиты может быть слишком чувствительной и небезопасной, что приводит к тенденции выполнять нежелательные действия, которые могут, например, без надобности блокировать выработку электричества в ядерной энергетической установке, что приводит к неожиданным расходам для пользователя системы.

Сегодня тестируя выходы функции защиты, проектировщик функции защиты, инженеры-наладчики и потребители могут устанавливать пороговое значение. Это, однако, не гарантирует, что порог установлен должным образом, и, как следствие, ненадлежащее пороговое значение может привести к ряду ложных действий. Кроме того, этот подход является продолжительным и затратным из-за изменения тестовых значений, которые требуются. Кроме того, пользователи не имеют никакого указания на то, при каких обстоятельствах появится ложное действие, до тех пор, пока ряд ложных действий не будет установлен, и работа электроэнергетической системы будет нарушена.

Поэтому важно иметь возможность сокращать количество ложных действий оптимальным путем, чтобы избежать немотивированных нарушений в электроэнергетической системе.

Цели и сущность изобретения

Одной целью настоящего изобретения является снизить количество ложных действий, создаваемых функцией защиты.

Эта цель достигается способом, как определено в пункте 1 формулы изобретения.

Такой способ включает в себя вычисление среднего значения и отклонения тестовых значений, определение вероятности ложного действия на основе вычисленного среднего значения, порогового значения и вычисленного отклонения и указание, что чувствительность слишком высока, когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение для вероятности ложного действия. Вышеупомянутые этапы повторно выполняются в течение операции функции защиты.

Согласно изобретению, чувствительность функции защиты контролируется в течение операции функции защиты. Чувствительность определяется путем вычисления вероятности ложного действия на основе вычисленного среднего значения, порога и вычисленного отклонения. Чтобы отразить распределение тестовых значений наилучшим возможным образом, тестовые значения, используемые для вычисления среднего значения и отклонения, покрывают период времени, более длинный, чем период времени нормальных вариаций в электроэнергетической системе.

Когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение для вероятности ложного действия, это означает, что чувствительность защиты слишком высока. В таком случае может быть предпринят некоторый диапазон восстановительных действий, только из указания на предотвращение действия контролируемой функции защиты.

Вследствие того, что изобретение в состоянии контролировать чувствительность функции защиты в течение ее действия, можно обнаружить, если чувствительность функции защиты слишком высока, прежде чем будут выработаны любые ложные действия. Кроме того, изобретенный способ предлагает возможность для пользователя оценить ситуацию, вслед за тем определить, было ли пороговое значение должным образом установлено и, в конечном счете, настроить пороговое значение. Соответственно, достигается цель, состоящая в сокращении количества ложных действий.

Другое преимущество состоит в том, что указанием, когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение, чувствительность функции защиты сделана видимой как для проектировщика функции защиты, инженеров ввода в эксплуатацию, так и пользователей, что делает поведение функции защиты более предсказуемым и приводит в результате к более короткому времени ввода в эксплуатацию.

Согласно варианту осуществления изобретения, вероятность ложного действия вычисляется в предположении, что тестовые значения подчиняются нормальному распределению. Поэтому она может, например, быть рассчитана посредством совокупной функции распределения для нормального распределения тестовых значений.

Согласно варианту осуществления изобретения, способ дополнительно включает в себя указание, что чувствительность слишком низка, когда вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия. Основная цель изобретения состоит в том, чтобы сократить количество ложных действий, потому что функция защиты главным образом разрабатывается для высокой чувствительности. С другой стороны, если чувствительность функции защиты слишком низка, она не может обеспечить защиту устройств в электроэнергетической системе. Поэтому таким устройствам будет нанесен ущерб. В этом случае необходима настройка порогового значения. Преимущество состоит в том, что это привлекает внимание оператора к ситуации, где чувствительность слишком низка и поэтому может иметь место риск того, что защитное действие может не быть инициировано соответствующим образом.

Согласно варианту осуществления изобретения, способ дополнительно включает в себя, при подтверждении пользователем, автоматическую настройку порогового значения на основе упомянутой определенной вероятности ложного действия.

Поскольку изобретение делает возможным указать, является ли чувствительность функции защиты слишком высокой или слишком низкой, оптимальный баланс между безопасностью и надежностью достигнут. Другими словами, чувствительность функции защиты устанавливается на надлежащем уровне. Пороговое значение может, например, быть предельным значением для сигнала размыкания, тревоги или для других типов настроек и параметров для функции защиты.

Предпочтительным образом, пороговое значение может быть оптимизировано, так как это позволяет функции защиты точно инициировать действие и поэтому улучшить надежность функции защиты. Это означает, что функция защиты инициирует действие, только когда это необходимо, тогда как, с другой стороны, она не реагирует, когда это не требуется.

Согласно варианту осуществления изобретения, пороговое значение настраивается таким образом, чтобы чувствительность функции защиты была уменьшена, когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение для вероятности ложного действия. Если порог не настроен, это означает, что чувствительность функции защиты слишком высока и вероятность того, что ложное действие будет инициировано, поэтому увеличивается. Преимущество этого варианта осуществления в том, что настройкой порога, когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение для вероятности ложного действия, число ложных действий будет уменьшено.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, пороговое значение настраивается так, что чувствительность функции защиты увеличивается, когда вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия. Иначе, когда вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия, чувствительность функции защиты слишком низка, и вероятность для ожидаемого действия, которое должно инициироваться, поэтому уменьшается. Предпочтительным является, что пороговое значение настраивается так, что чувствительность функции защиты увеличивается, когда вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия, так как это гарантирует, что функция защиты всегда инициирует действие, когда это должно быть.

Согласно варианту осуществления изобретения, пороговое значение определено как сумма вычисленного среднего значения и числа, умножающего вычисленное отклонение. Число, умножающее отклонения, может быть предварительно определено.

Согласно варианту осуществления изобретения, настоящий способ осуществляется вычислительным программным продуктом, определенным в пункте 8 формулы.

Такой компьютерный программный продукт непосредственно загружается во внутреннюю память компьютера и содержит программное обеспечение для выполнения этапов по любому из пунктов 1-7 формулы.

Предложенный способ выполняется устройством, как определено в пункте 10 формулы.

Такое устройство содержит вычислительный узел, сконфигурированный, чтобы принимать тестовые значения и, в течение операции функции защиты, повторно вычислять среднее значение и отклонение тестовых значений, определять вероятность ложного действия на основе вычисленного среднего значения, порога и отклонения, указывать, что чувствительность слишком высока, когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение для вероятности ложного действия, или что чувствительность слишком низка, когда вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия, и, при подтверждении пользователем, автоматически настраивать упомянутое пороговое значение на основе упомянутой определенной вероятности ложного действия.

Устройство, согласно изобретению, может использоваться в цифровом защитном реле, причем релейное устройство включает в себя функцию защиты, чтобы защищать другие устройства в электроэнергетической системе, когда ошибка обнаружена, и изобретенное устройство для контроля чувствительности функции защиты. Они вместе обеспечивают надежную защиту других устройств в электроэнергетической системе. Однако изобретение может быть интегрировано в функцию защиты, так что сама функция защиты предоставляет информацию о том, насколько чувствительной она является, и предоставляет возможность регулирования порогового значения, в дополнение к выполнению ее традиционного назначения.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется более подробно описанием различных вариантов осуществления изобретения и со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг. 1a - блок-диаграмма изобретенного устройства для контроля чувствительности функции защиты, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 1b - блок-схема изобретенного устройства для контроля чувствительности функции защиты, согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2 показывает блок-диаграмму устройства для контроля чувствительности функции защиты, согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг. 3 - иллюстрация блок-схемы изобретенного способа контроля чувствительности функции защиты, согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 4a иллюстрирует пример расчета вероятности ложного действия.

Фиг. 4b иллюстрирует пример превышенной вероятности.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 показана блок-схема изобретенного устройства 9 для контролирования чувствительности функции защиты, согласно первому варианту осуществления изобретения. Блок 1 измерения выполнен с возможностью измерения значений характеристики, которая может, например, быть напряжением или током. Блок 1 измерения может, например, быть вторичным трансформатором, выполненным с возможностью измерения тока или напряжения в электроэнергетической системе. Измеренные значения посылаются в блок 6 функции защиты. Блок 6 функции защиты выполнен с возможностью, при получения измеренного значения, вычисления тестового значения на основе измеренных значений, сравнения вычисленного тестового значения с пороговым значением Порог, извлеченным из блока 4 установки, и инициирования действия на основе результата сравнения. Такое действие может быть сообщено, например, в блок 8 вывода, на основе чего сигнал размыкания генерируется и посылается в блок 8 вывода. В зависимости от функции защиты, измеренное значение может использоваться непосредственно в качестве тестового значения, как показано в этом варианте осуществления. Устройство 9 содержит вычислительный блок 3, сконфигурированный для получения измеренных значений, выведенных из блока 1 измерения. В случае, где тестовые значения выведены из измеренных значений и вычислены блоком 6 функции защиты, тестовые значения могут быть сообщены в вычислительный блок 3 от блока 6 защиты. На основе тестовых значений вычислительный блок 3 конфигурируется для вычисления среднего значения и отклонения, затем на основе вычисленного среднего значения отклонения и порогового значения Порог, для вычисления вероятности ложного действия, сравнения вычисленной вероятности ложного действия с первым предельным значением для вероятности ложного значения, чтобы определить, превышает ли вероятность ложного действия первое предельное значение, чтобы в конечном счете указать посредством сигнала тревоги Тревога _{высокая}, когда чувствительность слишком высока. В этом варианте осуществления устройство 9 также содержит блок 2 отображения, выполненный с возможностью указывать, когда вероятность ложного действия превышает первое предельное значение, и уведомлять оператора, что чувствительность функции защиты слишком высокая. Однако могут иметься другие способы осуществления этого, например, послать сигнал тревоги Тревога _{высокая} к другому компьютеру, имеющему блок отображения. Вычислительный блок 3 может, например, быть микрокомпьютерным процессором, процессором цифрового сигнала, программируемой пользователем вентильной матрицей или стандартным компьютером.

На Фиг. 1b представлена блок-схема заявленного устройства для контроля чувствительности функции защиты согласно второму варианту осуществления изобретения. Каждый компонент в этом примере имеет ту же самую функцию, как и в первом варианте осуществления, за исключением того, что вычислительный блок 3, в этом варианте осуществления, дополнительно обнаруживает, не является ли чувствительность функции защиты слишком низкой. Если чувствительность слишком низкая, он индицирует сигнал тревоги Тревога _низкая на блоке 2 отображения.

Фиг. 2 показывает блок-схему устройства для контроля чувствительности функции защиты, согласно третьему варианту осуществления изобретения. В этом варианте осуществления вычислительный блок 3 дополнительно конфигурирован для вычисления нового порогового значения Порог _новый в случае, если чувствительность функции защиты либо слишком высока, либо слишком низка. Это новое пороговое значение Порог _новый посылается в блок 2 отображения для подтверждения. При подтверждении Ack пользователем это новое пороговое значение будет затем послано в блок установки, чтобы заменить пороговое значение Порог. В этом варианте осуществления оба случая, где исследуются оба случая более высокой и более низкой чувствительность функции защиты, возможно, что вычислительный блок может быть выполнен с возможностью только определения, является ли чувствительность защиты слишком высокой или является ли чувствительность защиты слишком низкой.

Во всех вышеупомянутых трех вариантах осуществления блок 6 функции защиты сконфигурирован, чтобы выполнять его традиционное назначение. Это означает, что он вычисляет тестовое значение на основе полученных измеренных значений, сравнивает тестовое значение с предварительно установленным пороговым значением, выполняет защитную функцию и инициирует соответствующее действие контроля в зависимости от результата выполнения защитной функции. Однако понятно, что вычислительный блок может быть интегрирован в блок функции защиты, когда он используется в цифровом релейном защитном устройстве.

На Фиг. 3 представлена иллюстрация блок-схемы изобретенного способа для контроля чувствительности функции защиты, которая конфигурирована, чтобы инициировать действие на основе тестового значения и порогового значения для характеристики, согласно варианту осуществления изобретения. Понятно, что каждый блок в блок-схеме может быть реализован инструкциями компьютерной программы.

Способ начинается получением тестовых значений, вычисленных функцией защиты, - блок 10. В зависимости от функциональности функции защиты, тестовое значение является либо измеренным значением, либо значением, выведенным из ряда измеренных значений.

Следующий этап состоит в вычислении среднего значения и отклонения тестовых значений - блок 11. Они могут быть вычислены многими способами в зависимости от характера тестовых значений и вычислительных возможностей. Среднее значение может, например, быть вычислено как арифметическое среднее значение или медиана, а отклонение - как максимальная наблюдаемая вариация относительно среднего значения или стандартное отклонение.

Независимо от того, какой способ используется для вычисления среднего значения и отклонения, и от происхождения тестового значения, имеет место общее наблюдение, что распределение тестовых значений может очень часто довольно точно описываться нормальным распределением:

Функция φ(х) описывает нормальное распределение тестового значения со средним значением 0 и стандартным отклонением 1. Распределение для среднего значения µ и стандартного отклонения σ задается как .

Если распределение тестовых значений подобно нормальному распределению, вычисленное среднее значение и отклонение связаны со средним значением µ и стандартным отклонением σ определенным образом. Это означает, что нормальное распределение будет полезным в выборе первого и второго предельных значений.

Принцип точного вычисления средних значений и отклонения состоит в том, чтобы отражать распределение тестовых значений настолько близко, насколько возможно. Тестовые значения для вычисления среднего значения и отклонения должны покрывать период времени, больший, чем период времени нормальных изменений в электроэнергетической системе. В зависимости как от типа электроэнергетической системы, так и специфической функции защиты, необходимые периоды времени могут колебаться от минут до недель. Функция защиты для машины при постоянном и устойчивом режиме работы будет наблюдать все происходящие изменения за короткое время, в то время как электропитание, предоставляемое сообществу, будет изменяться в течение суток и будет различаться в течение выходных.

Вычисление среднего значения и отклонения может также использоваться для отслеживания сезонной модели периода времени, например летней или зимней модели, потому, что в течение различных сезонов измеренные значения могут изменяться из-за различных моделей потребления электричества.

На основе вычисленного среднего и отклонения и порогового значения обнаруживается вероятность ложного действия - блок 12. Вероятность ложного действия дает указание, если чувствительность функции защиты надлежащим образом выбрана, или если она является слишком высокой или слишком низкой.

Из нормального распределения вероятность того, что x превышает µ в конкретном числе стандартных отклонений y, оценивается совокупной функцией распределения для нормального распределения тестовых значений как

Вероятность ложного действия тогда оценивается как , где T - пороговое значение, µ - среднее значение и σ - отклонение, надлежащим образом скорректированное, чтобы соответствовать стандартному отклонению. На фиг. 4a показан пример вычисления вероятности ложного действия на основе порогового значения, вычисленного среднего значения и значения отклонения. На чертеже вычисленная вероятность соответствует маркированной области. Эта вероятность может затем сравниваться с принятым пределом или первым предельным значением, которое может быть связано с принятым числом стандартных отклонений соотношением

Значение может быть найдено из , например, с помощью фиг. 4b.

Таким образом, требуется, чтобы

что эквивалентно

Поэтому требуемое число стандартных отклонений используется, чтобы отразить принятую вероятность ложного действия.

Как показано на фиг. 4b, вероятность превышения 4 стандартных отклонений приблизительно равна 0.00003 или 30 раз из 1 миллиона. Таким образом, если порог выше среднего плюс 4 на отклонение, то будет менее 30 действий, инициированных для 1 миллиона измерений. Если это не является достаточной безопасностью, может потребоваться 6 отклонений, для которых равно 10^-9, давая вероятность 0,1% для ложного действия в течение одного года, если измерения выполняются каждую секунду.

Таким образом, совокупная функция распределения способствует выбору первого и второго предельных значений. Первое предельное значение устанавливается согласно самой низкой приемлемой безопасности, которая является максимальным числом ложных действий в определенном периоде времени. Второе предельное значение устанавливается там, где безопасность становится излишне высокой, например, менее 1 ложного действия за 1 миллион лет, =10^-12, y≈7,1, для 1 измерения в секунду.

В первом случае, если определенная вероятность ложного действия превышает первое предельное значение для вероятности ложного действия, выдается индикация. Например, может быть выдан сигнал тревоги, чтобы указать, что чувствительность функции защиты слишком высока, и вероятность того, что ложное действие будет инициировано, высока; блок 13 и блок 15.

Во втором случае, если определенная вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия, то выдается индикация, чтобы указать, что чувствительность функции защиты слишком низка, и чувствительность может быть увеличена; блок 14 и блок 15.

В любом случае пороговое значение может настраиваться на основе вероятности ложного действия - блок 16. Чтобы настроить порог, новое пороговое значение может, например, автоматически предлагаться для оператора, и после подтверждения новое предложенное пороговое значение может заменить предыдущее пороговое значение, чтобы достигнуть надлежащей чувствительности функции защиты.

Учет частоты измерений и приемлемой чувствительности дает минимальное число отклонений. Таким образом, минимальное пороговое значение может быть определено как наблюдаемое среднее плюс минимальное число отклонений, необходимых, чтобы получить требуемую чувствительность. Например, если токи I используются в качестве тестовых значений для функции защиты, обозначает среднее, σ - стандартное отклонение, n - минимальное число стандартных отклонений, то минимальный порог для функции защиты может быть определен как . Это означает, что пока I подчиняется тому же самому распределению, вероятность того, что превышено, задается посредством P(n), фиг. 4b. Именно тогда, когда I переходит к другому распределению с более высокими значениями, функция защиты должна действовать.

Хотя этот вариант осуществления исследует оба случая, возможно, что для другого варианта осуществления определяется только вероятность ложного действия, превышающая первое предельное значение для вероятности ложного действия, а для третьего варианта осуществления определяется только вероятность ложного действия ниже второго предельного значения для вероятности ложного действия.

Как показано фиг. 3, этапы 10-16 повторно выполняются в течение операции функции защиты.

Более сложным примером использования изобретения является функция защиты от сбоев заземления, которая обнаруживает сбои заземления с использованием измеренного импеданса по отношению к земле в качестве тестового значения. При нормальных условиях импеданс по отношению к земле имеет конкретное значение, которое будет отражаться в среднем значении. Сбои определяются как другой, параллельный, путь к земле с некоторым импедансом. Чувствительность этой функции определяется как самый большой импеданс сбоя, который может быть обнаружен. Таким образом, чувствительность в измерении может быть оценена следующим образом.

Обнаруживаемый импеданс сбоя - это параллельный импеданс, который изменил бы n стандартных отклонений текущего измеряемого импеданса, где n - требуемая надежность обнаружения. Он может, таким образом, быть рассчитан с использованием среднего значения и стандартного отклонения измерений импеданса:

где - средний вычисленный импеданс, S_z - стандартное отклонение Z и Z_p - детектируемый параллельный импеданс сбоя.

Путем вычисления среднего значения и стандартного отклонения импеданса при N выборках данных получают точность для измерения импеданса. Поэтому, когда импеданс используется для обнаружения сбоя в функции защиты, также может быть определена надежность функции защиты.