СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к релейной защите энергосистем.

В связи с переходом релейной защиты на микропроцессорную технику открылась благоприятная перспектива для полномасштабной реализации адаптивных защит, использующих как текущую, так и предшествующую информацию о состоянии контролируемого объекта.

Предлагаемый способ затрагивает проблему построения адаптивной дистанционной защиты линий электропередачи. Известные способы адаптации дистанционной защиты относятся к одному из двух типов - прямой и косвенной адаптации. Прямая адаптация предполагает видоизменение характеристики срабатывания традиционного реле сопротивления в зависимости от ситуации, складывающейся в линии электропередачи, например в зависимости от комплекса тока обратной последовательности [1, 2].

Ко второму типу относятся способы, ведущие свое начало от известного реле Бреслера [3], реагирующего на сигналы, формируемые в предположении, что замыкание произошло на одной из границ защищаемой зоны. В современной интерпретации эти способы работают с моделями защищаемого объекта и оперируют понятием о месте предполагаемого замыкания. Первое техническое решение такого рода представлено в [4]. Согласно ему, местами предполагаемых замыканий следует полагать начало и конец защищаемой зоны линии электропередачи. Именно в этих местах определяют значения целевой функции - реактивной мощности повреждения. Срабатывание защиты происходит, если знаки значений целевой функции на границах зоны противоположны. Отсюда берет свое начало метод аварийных критериев [5]. Дальнейшее усовершенствование способа, оперирующего целевой функцией повреждения, привело к объединению двух ее значений на плоскости основного реле [6], к коррекции поведения дистанционной защиты по результатам экспериментальных замыканий на линии или же результатам эксплуатации [7]. Полезной для дистанционной защиты оказалась дополнительная информация, получаемая из неповрежденной фазы при замыканиях на землю [8].

Дальнейшее развитие способов косвенной адаптации связано с идеей многомерности, т.е. с объединением отдельных реле как элементарных модулей защиты в общую группу, связанную логической операцией И [9]. Область срабатывания каждого реле задается на плоскости его замера, где отображаются двумерные сигналы - комплексные величины или пары вещественных. Двумерные сигналы формируют из наблюдаемых величин - токов и напряжений линии электропередачи. Каждый двумерный сигнал подается на вход одного из реле.

Применительно к дистанционной защите способ конкретизирован в [10], где предложено подавать комплексные сигналы, получаемые путем преобразования наблюдаемых токов и напряжений, на одну из функциональных релейных групп, собранных из одного и того же числа однотипных (аналогичных) реле. Структура защиты включает в себя еще и группы исполнительных реле. Эти группы собираются из представителей предыдущих групп аналогичных реле, по одному от каждой. Группа исполнительных реле объединена логической операцией И, а выходные сигналы всех таких групп объединены операцией ИЛИ.

Как в способе [9], так и в [10] характеристики срабатывания всех отдельно взятых реле задают в виде ячеек на плоскостях замеров. Ячейки пронумерованы, сочетания номеров образуют коды. В ходе обучения защиты от имитационной модели электропередачи выявляются коды срабатывания. Остальные становятся кодами несрабатывания (блокирующие коды).

Несмотря на ее кажущуюся общность, работа по кодам оказалась недостатком упомянутых способов. Во-первых, она не имеет ничего общего с проверенными многолетней практикой алгоритмами работы релейной защиты по характеристикам срабатывания, задаваемым в виде граничных линий односвязных (сплошных) областей на плоскостях замеров. Во-вторых, оказалось, что косвенная адаптация, в отличие от прямой, не использует в полной мере того факта, что предшествующий режим объекта одинаков вне зависимости от последующих событий. Ориентируясь на конкретный предшествующий режим, получаем существенное сужение диапазона изменения параметров имитационной модели объекта в режимах, альтернативных замыканиям в зоне защиты. А чем более узок этот диапазон, тем выше распознающая способность защиты.

Цель изобретения - повышение распознающей способности защиты и расширение ее функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается благодаря наделению предлагаемого способа чертами как косвенной, так и прямой адаптации. Кроме того, в этом способе учтена вероятность ситуации, приводящей к сокращению информационной базы дистанционной базы, когда адаптивная защита вынуждена действовать как обычная неадаптивная. Такая ситуация складывается при потере или отсутствии информации о предшествующем режиме, что, например, имеет место при включении линии, в которой присутствует короткое замыкание.

Конкретные технические признаки, способствующие достижению поставленной цели, заключаются в следующем. Формируют комплексные сигналы трех физически различающихся типов. Первый сигнал формируют из величин предшествующего режима. Второй - только из величин текущего режима. Последний, третий, - из величин и того, и другого режима. В его формировании участвуют аварийные составляющие наблюдаемых токов. Аварийная составляющая представляет собой разность между величиной текущего режима и величиной предшествующего режима, экстраполированной на время после смены режимов.

Каждый комплексный сигнал подают на одну из групп аналогичных реле, следовательно, в структуре защиты используют три такие группы. Отдельный признак затрагивает задание областей срабатывания первой группы. В качестве областей срабатывания разных реле, входящих в эту группу, принимают различные части общей области отображения первого комплексного сигнала на плоскость комплексного сопротивления. Число частей, на которые разделяют область отображения, выбирают равным числу реле в группе. Что же касается областей срабатывания представителей второй и третьей групп аналогичных реле, то их определяют путем обучения этих пар реле в составе соответствующей группы исполнительных реле. В исполнительную группу входят всего три реле - по одному представителю из каждой группы аналогичных реле. Обучение осуществляется путем подачи сигналов от имитационной модели защищаемого объекта. Всякий раз при подаче сигнала будет срабатывать единственный представитель первой группы аналогичных реле. Срабатывая, он открывает путь к обучению двух других реле, образующих совместно с ним исполнительную группу. Обучение заключается в подаче сигналов отслеживаемых режимов (α-режимы), когда происходит замыкание в зоне защиты, и альтернативных им режимов работы линии электропередачи (β-режимы). К числу альтернативных режимов принадлежат нормальные (рабочие) режимы работы электропередачи, замыкания за пределами зоны защиты, замыкания «за спиной».

В дополнительном пункте формулы изобретения (п.2) детализируются обучающие операции. Сигналы α-режимов отображают на плоскостях обучаемых второго и третьего реле (реле второй и третьей группы). Затем на тех же плоскостях фиксируют только те особые отображения сигналов альтернативных β-режимов, которые попадают в уже полученные области отображения α-режимов. Далее задают область срабатывания второго реле без учета β-режимов, а третьего реле - с их учетом, т.е. с исключением тех мест, куда попадают отображения β-режимов.

В остальных дополнительных пунктах устанавливаются величины, из которых формируются комплексные сигналы. При однофазном замыкании это могут быть величины поврежденной фазы, возможно вместе с током нулевой последовательности. При междуфазном замыкании - разности напряжений и разности токов поврежденных фаз. Наконец, при двухфазном замыкании на землю - сумма напряжений и сумма токов поврежденных фаз.

На фиг.1 показана структурная схема дистанционной защиты, действующей по предлагаемому способу. На фиг.2 приведены схемы, иллюстрирующие операции обучения отдельных реле, входящих в состав защиты. На фиг.3-6 приведены примеры имитационной модели электропередачи. Модель воспроизводит токи и напряжения, наблюдаемые при однофазном замыкании (фиг.3), междуфазном замыкании (фиг.4) и двухфазном замыкании на землю (фиг.5, 6).

Структура защиты состоит из реле 1-6, относящихся к трем типам, реле 1, 4 - первого типа, реле 2, 5 - второго типа, реле 3, 6 - третьего типа. Однотипные реле образуют группу, за которой закрепилось название «группа аналогичных реле». Пусть n - общее число реле в такой группе. Если это реле сопротивления, то каждое из них в составе группы будет обозначаться как , . В составе структурной схемы защиты по фиг.1 имеются три группы аналогичных реле:

где - реле предшествующего режима, - реле текущего режима, - виртуальное реле.

Из представителей этих групп формируются группы исполнительных реле. На фиг.1 показаны две такие группы 7, 8, каждая состоит из трех реле разных типов. Выходы всех реле исполнительной группы объединены схемой И 9 для группы 7 и схемой И 10 для группы 8. В свою очередь, исполнительные группы объединены схемой ИЛИ 11, т.е. срабатывание любой исполнительной группы реле приводит к срабатыванию защиты.

Каждое отдельно взятое реле второго и третьего типа получает характеристику срабатывания в результате обучения, осуществляемого имитационными моделями защищаемого объекта. Имитационная модель 12, обозначенная как ИМОα, воспроизводит короткие замыкания в зоне защиты (α-режимы) и формирует три комплексных сигнала и . На фиг.2 иллюстрируется обучение реле второго типа 2 и третьего типа 3, входящих в состав первой группы исполнительных реле 1-3. Процедура обучения построена таким образом, что реле первого типа 1 управляет обучением реле второго и третьего типа 2, 3. Выход 13 реле 1 подключен к блокирующим входам реле 2 и 3 и нормально блокирует их, вводя запрет на обучение. Блокирующий сигнал снимается только в случае срабатывания реле 1.

На втором этапе обучения принимаются меры к исключению вероятности излишних срабатываний защиты. Роль учителя выполняет имитационная модель 14, обозначенная как ИМОβ и воспроизводящая режимы, альтернативные коротким замыканиям в зоне защиты. Реле 1-3 обучаемой исполнительной группы на данном этапе обучения образуют свою естественную структуру, объединенную схемой И 9. Своеобразие этой структуры на данном этапе обучения состоит в том, что выход схемы И 15 передает сигнал воздействия на реле 2, 3 с целью принятия мер, предотвращающих срабатывание группы 1-3 в каждом из β-режимов.

Отметим различия в обозначениях реле 2, 3 в верхней и нижней частях фиг.2. При обучении от α-модели 12 на плоскостях этих реле отображаются отдельные замеры и . Точки на соответствующих плоскостях принадлежат указанным замерам. После того как все те α-режимы, которые вызывают срабатывание реле 1, будут отображены на плоскостях и в виде областей S_α,тк и S_α,вр, реле 2 и 3 с полученными областями отображений поступают в распоряжение β-модели 14. Те β-режимы, которые вызовут срабатывание всех трех реле 1-3, должны быть отображены в α-областях на плоскостях и , и одну из этих областей придется усечь на величину подобласти, в которой сосредоточены отображения β-режимов. На фиг.2 усечению подвергается область S_α,вр, а исключаемая подобласть ограничена пунктирной линией.

Имитационная модель электропередачи показана на фиг.3-5 как в однолинейном (фиг.3), так и в трехфазном исполнении (фиг.4-5). Ее составные части: модель линии 16 и модели концевых подстанций 17, 18. Дистанционная защита наблюдает линию с одной стороны. Место наблюдения полагается началом линии с координатой х=0. Наблюдаемые величины - комплексы фазных токов и напряжений , , ν=А, В, С. Электрические величины в произвольном месте линии с координатой х являются функциями координаты , ; в предшествующем режиме , , в текущем режиме короткого замыкания , ; аварийные составляющие электрических величин

Величины, наблюдаемые в разных режимах, будем в необходимых случаях записывать с указанием координаты места наблюдения: , ; , ; аварийные составляющие - , .

В составе каждого реле 1-6 имеются формирователи, преобразующие наблюдаемые величины в замеры комплексных сопротивлений (таблица). Формирователи в составе реле 1, 4 и 2, 5 выполняют операции непосредственного преобразования наблюдаемых величин в комплексные сопротивления и . Задача формирователя в составе виртуальных реле 3, 6 более многогранна: помимо определения комплексного сопротивления он выполняет еще и преобразование наблюдаемых величин в напряжения и аварийные составляющие токов . Реле 3, 6 названы виртуальными потому, что величины конца защищаемой зоны определяются в предположении, что замыкание находится вне зоны. Так, в пренебрежении распределенной емкостью линии, когда , преобразование сводится к операции

где l_з - длина защищаемой зоны, и - удельные сопротивления прямой и нулевой последовательности, - ток нулевой последовательности

Отдельного пояснения заслуживает замер при двухфазном замыкании на землю (последняя строка таблицы). Иллюстрация соответствующей модели замыкания, случившегося в месте с координатой x_f, приведена на фиг.6. Модели присуще соотношение

где R_f и R_f0 - переходные сопротивления (резистивные элементы).

В системе для аварийных составляющих, где единственными источниками являются токи и , все токи и напряжения выражаются через них. Зависимости носят линейных характер, в системе без потерь - с вещественными коэффициентами:

где учтено симметричное расположение фаз В и С; k_сб и k_вз - собственный и взаимный коэффициенты. Из последних соотношений

что с учетом обозначений таблицы дает замер

являющийся вещественным числом, пропорциональным сопротивлению в правой части исходного равенства (4). Следовательно, замена суммы токов в равенстве (4) суммой в алгоритме (5) правомерна.

Своеобразие обсуждаемого способа заключается в том, что характеристики срабатывания реле первого типа 1, 4 и реле других типов 2, 5 и 3, 6 задаются по-разному. Реле первого типа получает свою область срабатывания на плоскости в виде части области отображения на общей для всех реле этого типа плоскости . На фиг.2, где размещено по одному представителю каждой группы аналогичных реле, область срабатывания изображена в виде сектора, ограниченного двумя лучами, которые, таким образом, и служат характеристикой срабатывания реле 1. В отличие от реле первого типа 1, 4 реле второго и третьего типов 2, 5; 3, 6 обретают области срабатывания в результате обучения в составе исполнительных групп 7, 8. Каждая группа обучается отдельно от остальных. Обучение совершается в два этапа, сначала от имитационной модели 12, воспроизводящей α-режимы - короткие замыкания в зоне защиты (0≤x_f≤l_з), затем от имитационной модели 14, воспроизводящей альтернативные β-режимы - замыкания вне зоны защиты (x_f>l_з, x_f<0 и т.д.). Процедура обучения реле и начинается по сигналу реле . Например, реле 2, 3 приступают к обучению по сигналу 13 о срабатывании реле 1. Обучение на первом этапе заключается в отображении α-режимов в виде замеров на плоскости и (на фиг.2 показаны два замера - первый в виде точек, второй - в виде звездочек), окаймлении областей отображения α-режимов , (построение граничных линий , ). Далее исполнительная группа реле 1-3 отключается от имитационной модели 12 и подключается к модели 14, воспроизводящей β-режимы, в которых защита срабатывать не должна. На этом втором этапе обучения исполнительная группа реле приводится в рабочее состояние; выходы всех реле объединяются схемой И 9. Каждое срабатывание всех реле означает, что произошло излишнее срабатывание защиты. Возможны две ситуации. В первом, наиболее благоприятном случае, ни одного срабатывания схемы И 9 в ходе испытаний сигналами модели 15 , , не происходит. Срабатывает реле 1, возможно, срабатывает какое-либо одно из двух реле 2, 3, но все вместе не сработали ни разу. Это означает, что первого этапа обучения достаточно и построенные на первом этапе характеристики срабатывания реле 2, 3 в корректировке не нуждаются.

Во втором, более вероятном случае, срабатывание всей группы исполнительных реле 7 с выходным сигналом 15 будет зафиксировано. Каждое излишнее срабатывание происходит потому, что соответствующий β-режим отображается замерами, , , , попадающими во все три области срабатывания, , , , что иллюстрируют два замера, помеченные один точкой, другой - звездочкой, на фиг.2. В этом случае следует принять меры, исключающие излишние срабатывания защиты. Предлагается достигать поставленной цели путем изъятия из области реле 3 подобласти , в которой сосредоточены замеры . Областью срабатывания реле 2 остается, стало быть, область отображений , а областью срабатывания реле 3 становится разность областей и .

Как видим, предлагаемый способ вобрал в себя черты способов прямой адаптации, так как области срабатывания реле предшествующего режима ограничены, и способов косвенной адаптации. Последнее обеспечивается виртуальными реле, замеры которых формируются с участием аварийных составляющих наблюдаемых токов. Такое построение защиты обеспечивает распознавание всех коротких замыканий в защищаемой зоне, которые отвечают условию физической распознаваемости.

Источники информации

1. Патент США №5796258, кл. Н02Н 3/38, G01R 31/02, 1998.

2. Патент США №7872478, кл. Н02Н 3/38, G01R 31/02, 2011.

3. Авторское свидетельство СССР №66343, кл. Н02Н 3/28, 1944.

4. Патент РФ №1775787, кл. Н02Н 3/40, 1991.

5. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С, Павлов А.О. Эволюция дистанционной релейной защиты. - Электричество, 1999, №3, С.8-15.

6. Патент РФ №2066511, кл. Н02Н 3/40, G01R 31/08, 1992.

7. Патент РФ №2088012, кл. Н02Н 3/40, G01R 31/08, 1994.

8. Патент РФ №2149489, кл. Н02Н 3/40, G01R 31/08, 1999.

9. Патент РФ №2247456, кл. Н02Н 3/40, 2002.

10. Патент РФ №2248077, кл. Н02Н 3/40, 2002.