СПОСОБ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системной автоматике и релейной защите.

Известны токовые защиты, реагирующие на ток в защищаемом объекте. Принципы действия таких защит, варианты исполнения реле тока на электромагнитном принципе, а также с помощью средств вычислительной техники можно найти практически в любом учебнике по релейной защите электроэнергетических систем.

Известно, что наряду с амплитудой тока, характеризующей аварийный режим, в качестве информационного признака может выступать фаза тока [Например, Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 312 с]. Однако схемные решения, сочетающие измерения как амплитуды, так и фазы тока для повышения эффективности (например, селективности) релейной защиты, авторам не известны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ токовой защиты [Патент РФ №2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. №13], заключающийся в срабатывании токовой защиты при превышении величиной, зависящей от тока в месте ее включения, уставочного значения. Уставочное значение выбирают с учетом статистических распределений рабочего тока и тока короткого замыкания, полученных по результатам моделирования или статистических расчетов эквивалентных схем.

Недостатком такого способа токовой защиты является низкая селективность.

Статистический подход, применяемый в способе-прототипе, можно использовать для построения токовой защиты, сочетающей информацию об амплитуде и фазе тока, для выявления аварийных режимов в защищаемом объекте.

При этом проводится имитационное моделирование работы электроэнергетических объектов в рабочих режимах и в условиях возникновения коротких замыканий. Формируются совместные статистические распределения амплитуды и фазы тока для рабочего p_paб>(I, φ) и аварийного p_aв(I, φ) режимов. Принятие решения на срабатывание релейной защиты осуществляется в соответствии с критерием отношения правдоподобия

,

где p_paб>(I, φ), p_aв(I, φ) - плотности вероятности совместного распределения амплитуды и фазы тока соответственно в аварийном и рабочем режимах; Λ₀ - пороговое (уставочное) значение.

Например, при нормальном (Гауссовском) законе распределения вероятностей в рабочем и аварийном режимах имеем

;

где Ī_раб, , Ī_ав, - соответственно математические ожидания и дисперсии амплитуды токов в рабочем и аварийном режимах; , , , - соответственно математические ожидания и дисперсии фазы токов в рабочем и аварийном режимах; ρ - коэффициент корреляции между значениями амплитуды и фазы токов.

Для введенных p_paб(I, φ) и p_ав(I, φ) отношение правдоподобия будет выглядеть следующим образом

.

Введем обозначения для упрощения записи

; ;

;

;

; ;

тогда

.

Следует отметить, что выражение в круглых скобках является постоянным коэффициентом, так как не зависит от измеряемых параметров I, φ.

Прологарифмировав выражение для Λ(I, φ), переходим к правилу принятия

решения токовой защитой на основе логарифма отношения правдоподобия, состоящего в сравнении величины

l(I, φ=f·(a·I²+c·I+d·I·φ+е·φ+b·φ²)

с пороговым (уставочным) значением

.

Значения Ī_раб, , , , Ī_ав, , , , ρ могут быть получены как по результатам имитационного моделирования и реализации модельных экспериментов, так и с помощью статистических расчетов эквивалентных схем нормального (рабочего) и аварийного режимов. При статистических расчетах вместо фиксированных параметров эквивалентных схем задают случайные переменные электрических величин.

Задача изобретения - создание способа токовой защиты, обладающего высокой селективностью.

Поставленная задача достигается способом токовой защиты, заключающимся в срабатывании токовой защиты при превышении величиной, зависящей от тока в месте ее включения, уставочного значения, уставочное значение выбирают с учетом моделирования или статистических расчетов эквивалентных схем в рабочем режиме и режиме короткого замыкания. Согласно предлагаемому способу наряду с амплитудой используют фазу тока, а величину, сравниваемую с уставочным значением, и само уставочное значение получают из отношения логарифмов совместных плотностей вероятности амплитуды и фазы тока в рабочем режиме и режиме короткого замыкания.

Для технической реализации способа воспользуемся выражениями логарифма отношения правдоподобия l(I, φ) и уставочного значения L₀.

Вариант структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ в цифровых терминалах релейной защиты, приведен на фиг.1

Устройство (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы; первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7, шестой 8 и седьмой 10 умножители; сумматор 9 и схему сравнения 11.

Вход первого квадратора 1 объединен с первыми входами первого 3 и третьего 5 умножителей и является первым входом устройства. Вход второго квадратора 2 объединен со вторым входом первого умножителя 3 и первым входом пятого умножителя 7 и является вторым входом устройства. Вход второго умножителя 4 соединен с выходом первого квадратора 1, вход четвертого умножителя 6 соединен с выходом первого умножителя 3, вход шестого умножителя 8 соединен с выходом второго квадратора 2. На вторые входы второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей подаются постоянные коэффициенты соответственно а; с; d; е; Ь. Выхода второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к первому входу умножителя 10, на второй вход которой подается постоянный коэффициент f. Выход шестого умножителя 10 подключен к первому входу схемы сравнения 11, на второй вход которой подается пороговое (уставочное) значение l₀. Выход схемы сравнения является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства подают цифровые значения амплитуды и фазы тока (обработка производится для отдельной фазы). Таким образом, перед подачей на вход устройства, реализующего предлагаемый способ защиты, над током проводились следующие операции обработки: аналоговая фильтрация низких частот; аналого-цифровое преобразование; цифровая фильтрация отсчетов тока (например, по алгоритму дискретного преобразования Фурье); цифровое детектирование (вычисление абсолютного (модульного) значения); вычисление фазы сигнала. Как правило, исходя из поступающих на вход мгновенных значений, традиционно рассматриваются структуры цифровой токовой защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.178, рис.4.10].

При реализации устройства (фиг.1) предварительно по полученным в результате моделирования (или статистических расчетов эквивалентных схем) значениям Ī_раб, , Ī_к.з., , , , , , ρ производится расчет постоянных коэффициентов а; с; d; е; b; f, а также выбор уставочного (порогового) значения l₀.

Отметим, что выбор уставочного значения l₀ может быть осуществлен и на основе данных моделирования. Поясним это положение примером.

При моделировании был выбран участок сети 100 кВ Нижегородской энергосистемы (фиг.2). Имитационная модель участка сети 110 кВ реализовалась в программном комплексе MATLAB, и изменяемые параметры модели, а также диапазоны их изменения, приведены в таблице 1.

Имитировались междуфазные замыкания за трансформатором (Т5) в условия изменения параметров сети (фиг.2). По результатам моделирования строились совместные распределения вероятностей токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах p_раб(I, φ), p_ав(I, φ). Пример сечения этих плотностей вероятностей p_раб(I, φ), p_ав(I, φ) по осям амплитуды и фазы тока приведены на фиг.3 и фиг.4. Анализ фиг.3, 4 свидетельствует, что значения как амплитуды тока, так и фазы тока в рабочих и аварийных режимах расположены в пересекающихся диапазонах, что свидетельствует о невозможности построения селективной токовой защиты. Действительно, как бы ни выбирались уставочные значения (фиг.3, 4) по амплитуде (I_cp) и фазе (φ_cp) тока, совмещение рабочих и аварийных режимов приводит к вероятностям излишнего срабатывания (Р_изл) или отказам в срабатывании (Р_отк).

Однако распределение вероятностей p(L) статистики (фиг.5)

,

полученное по результатам моделирования примера (фиг.3, 4), свидетельствует об однозначном разделении аварийного и рабочего режимов и возможности построения селективной токовой защиты. В качестве уставочного (порогового) значения может быть, например, выбрано l₀=0, а процедура сравнения сводится к определению знака статистики l. Достижение положительного эффекта, повышения селективности, обеспечивается более полным использованием информации, заключенной в значениях амплитуды и фазы тока, а также в их взаимосвязи (коэффициенте корреляции).

После расчета требуемых для функционирования величин Ī_раб, , Ī_к.з., , , , , , ρ, а также уставочного значения l₀ устройство токовой защиты (фиг.1), реализующее предлагаемый способ, готово к работе. При поступлении на вход устройства дискретных значений амплитуды тока I и фазы тока φ устройство (фиг.1) реализует взвешенное суммирование

l(I, φ)=f·(а·I²+с·I+d·I·φ+е·φ+b·φ²).

В последующем значение 1(I, φ) сравнивается с уставкой (порогом) l₀ для принятия решения о наличии аварийного режима на защищаемом объекте. Так, при 1(I, φ)≥l₀ принимается решение о наличии аварийного режима, и защита срабатывает, в противном случае 1(1, φ)<l₀ срабатывание защиты не происходит.

Приведенный в материалах заявки статистический принцип построения токовых защит и формирования уставочных значений справедлив не только для нормального, но и для других видов статистических распределений.