Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ

Область техники

Настоящее изобретение относится к области дифференциальной токовой защиты и более конкретно к способу и устройству для идентификации короткого замыкания (КЗ) посредством дифференциальной токовой защиты.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время дифференциальная токовая защита широко применяется в энергосистемах в качестве основного средства защиты вследствие ее хороших рабочих характеристик. Критерий идентификации для классической дифференциальной токовой защиты приведен ниже:

Такой критерий основан на полных токах, которые являются исходными измеренными токами, включающими на основе принципа суперпозиции нагрузочную составляющую тока и составляющую тока, относящуюся к КЗ; однако с этим решением связаны также следующие проблемы:

1) низкие чувствительность и скорость срабатывания при КЗ в условиях больших нагрузок или высоких сопротивлений;

2) возможность ложного срабатывания при внешнем КЗ в случае насыщения трансформатора тока (ТТ);

3) трудности в достижении баланса между чувствительностью, быстродействием и надежностью. При низком пороге срабатывания для обеспечения хорошей чувствительности и быстродействия снижается надежность. При высоком пороге срабатывания для достижения хорошей надежности ухудшаются чувствительность и быстродействие.

Для решения этих проблем исследователями и производителями была предложена дифференциальная защита на основе тока КЗ. Ниже приведен алгоритм типовой дифференциальной защиты на основе тока КЗ:

Можно видеть, что такое решение будет в общем случае иметь улучшенные чувствительность и быстродействие по сравнению с классическим дифференциальным токовым реле при КЗ в условиях больших нагрузок и высоких сопротивлений, поскольку из расчетов исключены токи нагрузки. Но существующая дифференциальная защита по току КЗ только в некотором смысле улучшает чувствительность и быстродействие, но не решает проблемы надежности при насыщении трансформатора тока; более того, не существует эффективного решения, которое обеспечивает хороший баланс между чувствительностью и надежностью.

Аналогичная ситуация и для классической дифференциальной защиты на основе полного тока; в классической дифференциальной токовой защите на основе тока КЗ возможны ложные срабатывания из-за внешнего КЗ при насыщении трансформатора тока. Кроме того, в обоих видах дифференциальной защиты трудно добиться хорошего баланса между чувствительностью, быстродействием и надежностью. Если улучшить чувствительность и быстродействие для идентификации внутреннего КЗ, это снизит надежность идентификации внешнего КЗ. С другой стороны, повышение надежности идентификации внешнего КЗ ведет к снижению чувствительности и быстродействия при идентификации внутреннего КЗ.

Следовательно, при использовании существующих решений, описанных выше, трудно одновременно обеспечить и чувствительность, и надежность дифференциальной защиты, а также быстродействие. Вследствие указанных выше проблем настоящее изобретение предлагает способ и устройство для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты.

Сущность изобретения

Главной целью настоящего изобретения является улучшение чувствительности и быстродействия дифференциальной токовой защиты при внутренних КЗ и повышение надежности при внешних КЗ. Таким образом, настоящее изобретение направлено на создание способа и устройства для идентификации КЗ с помощью дифференциальной токовой защиты.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен способ идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты. Способ включает: измерение полных токов на двух концах системы с двухконцевой линией и вычисление векторов соответствующих токов КЗ; получение рабочего значения путем вычисления первой разности между абсолютной величиной суммы векторов тока КЗ и первой заданной величиной I_set1; получение тормозного значения посредством умножения второй разности на регулирующий коэффициент, при этом указанную вторую разность вычисляют между максимумом абсолютных величин указанных токов КЗ и второй заданной величиной I_set2 или между абсолютной величиной разности токов КЗ и второй заданной величиной I_set2; и идентификацию КЗ как внешнего или внутреннего КЗ путем сравнения рабочего значения с тормозным значением.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения регулирующий коэффициент относится к фазовому углу между токами КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения регулирующий коэффициент будет иметь сравнительно большую положительную величину для внешнего КЗ и сравнительно небольшую положительную величину или даже отрицательную величину для внутреннего КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения, если рабочее значение меньше тормозного значения, КЗ идентифицируют как внешнее КЗ или отсутствие КЗ в системе; в других случаях будет идентифицировано внутреннее КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения предлагаемый способ может быть применен к многоконцевой системе посредством преобразования такой многоконцевой системы в виртуальную двухконцевую систему.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения способ дополнительно содержит: измерение полных токов на всех концах системы с многоконцевой линией и вычисление соответствующих векторов тока КЗ; выбор максимальной величины из совокупности вычисленных величин тока КЗ; вычисление суммы всех остальных вычисленных токов КЗ за исключением указанного максимума; и принятие максимальной величины и суммы в качестве двух токов на концах виртуальной системы с двумя концами.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения способ непосредственно использует векторы полных токов, соответствующих векторам тока КЗ, для идентификации КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения предложено устройство для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты. Устройство включает в себя: измерительный модуль, выполненный с возможностью измерения полных токов на двух концах системы с двухконцевой линией; вычислительный модуль, выполненный с возможностью вычисления соответствующих векторов тока КЗ; получения рабочего значения путем вычисления первой разности между абсолютной величиной суммы векторов тока КЗ и первой заданной величиной I_set1; получения тормозного значения путем умножения второй разности на регулирующий коэффициент, при этом указанную вторую разность вычисляют между максимумом абсолютных величин указанных токов КЗ и второй заданной величиной I_set2 или между абсолютной величиной разности указанных токов КЗ и второй заданной величиной I_set2; и модуль идентификации, выполненный с возможностью идентификации КЗ как внешнего или внутреннего путем сравнения рабочего значения с тормозным значением.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения регулирующий коэффициент относится к фазовому углу между токами КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения регулирующий коэффициент будет иметь сравнительно большую положительную величину для внешнего КЗ и сравнительно небольшую положительную величину или даже отрицательную величину для внутреннего КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения модуль идентификации осуществляет идентификацию КЗ как внешнее КЗ или отсутствие КЗ в системе, если рабочее значение меньше тормозного значения; в противном случае будет идентифицировано внутреннее КЗ.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения предлагаемое устройство может быть применено к многоконцевой системе посредством преобразования указанной многоконцевой системы в виртуальную двухконцевую систему.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения измерительный модуль дополнительно выполнен с возможностью измерения полных токов на всех концах системы с многоконцевой линией и вычисления соответствующих векторов тока КЗ; вычислительный модуль дополнительно выполнен с возможностью выбора максимума из вычисленных токов КЗ и вычисления суммы всех остальных вычисленных токов КЗ за исключением указанного максимума; а преобразовательный модуль выполнен с возможностью считать указанные максимальную величину и сумму двумя токами на концах виртуальной системы с двумя концами.

Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения устройство непосредственно использует векторы полных токов, соответствующих векторам тока КЗ, для идентификации КЗ.

Варианты настоящего изобретения предлагают способ и устройство для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты, обеспечивающие лучшие надежность, чувствительность и быстродействие, чем существующие системы дифференциальной токовой защиты.

Краткое описание чертежей

Предмет настоящего изобретения будет пояснен более подробно в последующем описании со ссылками на примеры предпочтительных вариантов, иллюстрируемые чертежами, на которых:

фиг. 1 - типовая двухконцевая система электропитания с внутренним КЗ (фиг. 1а) и соответствующая схема для тока КЗ (фиг. 1b);

фиг. 2 - логическая схема способа идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 3а и 3b - рабочие характеристики дифференциального реле для внешнего КЗ и внутреннего КЗ соответственно;

фиг. 4а и 4b - векторные диаграммы токов КЗ для случаев внешнего КЗ и внутреннего КЗ соответственно;

фиг. 5 - векторные диаграммы для преобразования многоконцевой системы в виртуальную двухконцевую систему согласно настоящему изобретению; и

фиг. 6 иллюстрирует схему устройства для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.

Варианты осуществления изобретения

Далее примеры вариантов осуществления настоящего изобретения описаны в сочетании с прилагаемыми чертежами. Для большей ясности и лаконизма в настоящем описании рассмотрены не все особенности реальных вариантов осуществления изобретения.

Предлагаемое изобретение относится к дифференциальной токовой защите, и разность фазовых углов (arg(ΔI_Remote), arg(ΔI_Local)) токов КЗ на разных концах системы отличается для внутреннего КЗ и внешнего КЗ. Для внутреннего КЗ разность фаз составляет около 0 градусов, а для внешнего КЗ - почти 180 градусов. Такая очевидная разница может быть использована для задания рабочего значения или тормозного значения, чтобы обеспечить широкие пределы рабочих характеристик. При таком подходе рабочий диапазон может изменяться в соответствии с условиями КЗ, и может быть очень узким для внешнего КЗ и очень широким для внутреннего КЗ. Тем самым можно добиться лучшей чувствительности для внутреннего КЗ и большей надежности для внешнего КЗ одновременно.

На фиг. 1а представлена типовая двухконцевая система электропитания с внутренним КЗ, и на фиг. 1b - схема для тока КЗ, соответствующая фиг. 1а.

Как показано на фиг. 1а, и представляют собой токи, измеренные дифференциальной защитой на двух концах М и N. и представляют собой токи КЗ, соответствующие этим двум концам.

На фиг. 2 представлена логическая схема способа идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг. 2, способ 200 идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты содержит следующие этапы.

Этап 202 измерения полных токов на двух концах системы с двухконцевой линией и вычисления соответствующих векторов тока КЗ. На фиг. 1b токи и могут быть вычислены на основе полных токов и . Ток КЗ предпочтительно содержит по меньшей мере один из следующих токов: фазный ток КЗ, ток КЗ прямой последовательности, обратной последовательности, нулевой последовательности.

Если оба тока и больше порогового значения I_lim, используемого для обеспечения точности вычисления фазового угла тока, продолжают выполнять следующие этапы.

На этапе 204 получают рабочее значение путем вычисления первой разности между абсолютной величиной суммы векторов тока КЗ и первой заданной величиной I_set1.

На этапе 206 получают тормозное значение путем умножения второй разности на регулирующий коэффициент F(θ_M, θ_N), где указанная вторая разность вычисляется между максимумом абсолютных величин указанных токов КЗ и второй заданной величиной I_set2, и .

На этапе 208 идентифицируют КЗ как внешнее или внутреннее путем сравнения рабочего значения с тормозным значением.

Если неравенство справедливо, может быть идентифицировано внутреннее КЗ, и тогда сработает реле; в противном случае будет идентифицировано внешнее КЗ либо отсутствие КЗ в системе, и ложного срабатывания дифференциального токового реле не будет.

В другом варианте вторую разность вычисляют между абсолютным значением разности токов КЗ и второй заданной величиной I_set2. В этом случае неравенство может быть переписано, как указано ниже:

Величины I_set1 и I_set2 представляют собой токовые параметры для управления началом наклонного участка рабочей характеристики. В одном из вариантов настоящего изобретения эти два параметра могут быть заданы как: I_set1≥0, I_set2≤0. Следует отметить, что специалист в рассматриваемой области может задать для величин I_set1 и I_set2 любые значения в соответствии с фактическим оборудованием.

На фиг. 3а и 3b представлены рабочие характеристики дифференциального реле для внешнего КЗ и внутреннего КЗ соответственно.

Как показано на фиг. 3а и 3b, ограничение приводит к тому, что начало (I_set2, I_set1) наклонного участка рабочей характеристики находится во втором квадранте, а штриховая линия показывает типовую рабочую характеристику классического дифференциального реле для сравнения.

На этом чертеже, представляет рабочий ток, а - тормозной ток. Функция F(θ_M, θ_N) является общей функцией фаз токов КЗ, которая должна иметь отрицательное или небольшое положительное значение для внутреннего КЗ и сравнительно большое положительное значение для внешнего КЗ. Таким образом, эта функция регулирует крутизну наклона рабочей характеристики. Т.е. она уменьшает рабочую область для внешнего КЗ и увеличивает рабочую область для внутреннего КЗ.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения регулирующий коэффициент F(θ_M, θ_N) может быть равен К₁-К₂·cos(θ_M-θ_N). Следует отметить, что помимо этого примера при фактической реализации может быть использована любая функция, способная удовлетворить требованиям к F(θ_M, θ_N), приведенным выше.

На фиг. 4а и 4b представлены векторные диаграммы для токов КЗ в случае внешнего КЗ и внутреннего КЗ соответственно.

Как отмечено выше, наклон характеристики регулируется функцией F(θ_M, θ_N), например (K₁-К₂·cos(θ_M-θ_N)). В общем случае величина (θ_М-θ_N) близка к 0° для внутреннего КЗ, как показано на фиг. 4b, и составляет почти 180° для внешнего КЗ, как показано на фиг. 4а.

Наклон (К₁-К₂·cos(θ_M-θ_N)) рабочей характеристики при надлежащей установке К1 и К2 будет иметь отрицательную величину или сравнительно небольшую положительную величину для внутреннего КЗ, в то время как при надлежащей установке К1 и К2 он будет иметь сравнительно большую положительную величину для внешнего КЗ. Здесь параметр К1 может обеспечить достаточно большое положительное значение для функции (К₁-К₂·cos(θ_M-θ_N)) даже при серьезном насыщении трансформатора тока в случаях внешнего КЗ (в этом случае угол (θ_M-θ_N) может быть большим, а не нулевым). К2 одновременно настраивает как чувствительность при внутреннем КЗ, так и надежность при внешнем КЗ. Другими словами, увеличение параметра К2 улучшит надежность при внешнем КЗ и чувствительность при внутреннем КЗ одновременно.

На фиг. 5 представлена векторная диаграмма для преобразования многоконцевой системы в виртуальную двухконцевую систему согласно настоящему изобретению.

Как показано на фиг. 5, для преобразования многоконцевой системы в виртуальную двухконцевую систему сначала измеряют полные токи на всех концах системы с многоконцевой линией и вычисляют соответствующие вектора тока КЗ. После этого выбирают максимум из вычисленных токов КЗ, вычисляют сумму всех остальных токов КЗ за исключением максимального тока; и затем считают указанный максимум и вычисленную сумму в качестве токов на двух концах указанной виртуальной двухконцевой системы.

После преобразования многоконцевой системы в виртуальную двухконцевую систему может быть применен способ, показанный на фиг. 1, для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты.

Согласно предпочтительному варианту, если амплитуда по меньшей мере одного из токов слишком мала для измерения фазового угла, например и/или ; может быть использован фиксированный регулирующий коэффициент К вместо адаптивного коэффициента F(θ_M, θ_N); иными словами, критерий будет переписан в виде В другом варианте вторую разность вычисляют между абсолютной величиной разности указанных токов КЗ и второй заданной величиной I_set2. Таким образом, неравенство будет переписано в виде

Из описания настоящего изобретения специалисту в рассматриваемой области должно быть очевидно, что для идентификации КЗ в способе непосредственно используются векторы полных токов, соответствующие векторам тока КЗ.

Подробнее, способ включает: измерение полных токов на двух концах системы с двухконцевой линией, т.е. и ; получение рабочего значения путем вычисления первой разности между абсолютной величиной суммы векторов полных токов и первой заданной величиной I_set1; получение тормозного значения путем умножения второй разности на регулирующий коэффициент F(θ_M, θ_N), при этом указанную вторую разность вычисляют между максимумом абсолютных величин полных токов и второй заданной величиной I_set2; и идентификацию КЗ как внешнего КЗ или внутреннего КЗ посредством сравнения рабочего значения с тормозным значением. Иными словами, критерий выбора переписан в следующем виде:

В другом варианте вторую разность вычисляют между абсолютной величиной разности полных токов и второй заданной величиной I_set2. Таким образом, указанное неравенство будет записано следующим образом:

Следует отметить, что полный ток включает в себя полный фазный ток и/или фазный ток прямой последовательности. В этом случае регулирующий коэффициент F(θ_M, θ_N) относится к фазовому углу полных токов.

Согласно другому варианту настоящего изобретения, если амплитуда по меньшей мере одного из токов слишком мала для измерения фазового угла, можно использовать фиксированный регулирующий коэффициент К вместо коэффициента F(θ_M, θ_N), иными словами, критерий будет переписан в виде В другом варианте вторую разность вычисляют между абсолютной величиной разности указанных полных токов и второй заданной величиной I_set2. Таким образом, неравенство будет переписано в следующем виде:

На фиг. 6 представлена схема устройства для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 6, устройство 600 для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты главным образом содержит измерительный модуль 602, вычислительный модуль 604 и модуль 606 идентификации.

Измерительный модуль 602 выполнен с возможностью измерения полных токов на двух концах системы с двухконцевой линией.

Вычислительный модуль 604 выполнен с возможностью вычисления соответствующих векторов тока КЗ; получения рабочего значения путем вычисления первой разности между абсолютной величиной суммы векторов тока КЗ и первой заданной величиной I_set1; получение тормозного значения путем умножения второй разности на регулирующий коэффициент (регулирующий коэффициент относится к фазовому углу токов КЗ), при этом вторая разность вычисляется между максимумом абсолютных величин токов КЗ и второй заданной величиной I_set2 или между абсолютной величиной разности указанных токов КЗ и второй заданной величиной I_set2.

Модуль 606 идентификации выполнен с возможностью идентификации КЗ как внешнего КЗ или внутреннего КЗ посредством сравнения рабочего значения с тормозным значением. Конкретнее, модуль идентификации осуществляет идентификацию КЗ как внешнее КЗ или отсутствие КЗ в системе, если рабочее значение является меньшим; в другом случае идентифицируется внутреннее КЗ.

Если устройство применяется к многоконцевой системе, устройство дополнительно содержит преобразовательный модуль 608, выполненный с возможностью выбора максимума из вычисленных токов КЗ и вычисления суммы всех остальных величин вычисленных токов КЗ за исключением этой выбранной максимальной величины и считать указанный максимум и указанную сумму в качестве токов на двух концах указанной виртуальной двухконцевой системы. Тогда система с несколькими концами может быть преобразована в виртуальную двухконцевую систему.

На основе предложенного решения в соответствии с настоящим изобретением специалист в рассматриваемой области сможет спроектировать или изготовить дифференциальную токовую защиту, обладающую лучшими надежностью, чувствительностью и более высоким быстродействием по сравнению с существующими аналогами. Более того, алгоритм можно легко реализовать на существующей платформе (аппаратной и программной). Кроме того, для настоящего алгоритма не требуется более высокая частота дискретизации или большая точность измерений, что будет полезно с точки зрения экономии затрат на разработку.

Следует отметить, что способ и устройство для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты, предлагаемые в настоящем изобретении, могут быть использованы, не ограничиваясь этим, в дифференциальной защите линий или дифференциальной защите основного оборудования, например защите генераторов, защите системы шин, защите конденсаторов, защите трансформаторов, защите электрических реакторов, защите двигателей или в других защитах на основе алгоритма дифференциального тока и т.п.

Специалист в рассматриваемой области сможет на основе этого описания примеров вариантов осуществления изобретения оценить преимущества настоящего изобретения:

1. В соответствии со способом и устройством для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты, предлагаемыми в настоящем изобретении, имеется очень маленькая рабочая область для внешнего КЗ, что значительно повышает надежность даже в случае серьезного насыщения трансформаторов тока.

2. В соответствии со способом и устройством для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты, предлагаемыми в настоящем изобретении, имеется очень большая рабочая область для внутреннего КЗ, что значительно повышает чувствительность при внутреннем КЗ даже в случаях больших нагрузок и высоких сопротивлений.

3. В соответствии со способом и устройством для идентификации КЗ посредством дифференциальной токовой защиты, предлагаемыми в настоящем изобретении, срабатывание реле защиты происходит быстрее по сравнению с существующими системами дифференциальной защиты на основе полных токов или токовых компонент, связанных с КЗ.

4. При организации дифференциальной токовой защиты в соответствии со способом и устройством для идентификации КЗ, предлагаемыми в настоящем изобретении, критерий оценки является простым и его легко регулировать на основе реального оборудования, а также его удобно применять к существующей платформе (аппаратное обеспечение, программное обеспечение, частота дискретизации и т.п.).

Хотя настоящее изобретение описано на основе некоторых предпочтительных вариантов, специалисты в рассматриваемой области должны понимать, что эти варианты никоим образом не ограничивают объем настоящего изобретения. Любые вариации и модификации этих вариантов, не отклоняющиеся от сущности и принципов настоящего изобретения, вполне доступны для понимания специалистов в рассматриваемой области и потому попадают в объем притязаний настоящего изобретения, ограниченного прилагаемой формулой изобретения.