СПОСОБ ВВОДА ДИСКРЕТНОГО СИГНАЛА В УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано при создании устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), применяемых на энергетических объектах различного класса напряжений.

По результатам проведенного анализа очерчен текущий технический уровень реализации дискретных входов (ДВ), применяемых в устройствах РЗА.

Известен способ ввода дискретного сигнала и устройство для его осуществления в различных устройствах РЗА и других системах сбора дискретной информации, который основан на применении оптрона (порогового элемента), обеспечивающего сравнение текущего уровня падения напряжения на ДВ с заданным. [Полезная модель RU 53048 G08C 19/18 2006.01 «УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ»; Захаров О.Г., Козлов В.Н., «Цифровые устройства центральной сигнализации» часть 1. // Москва, НТФ «Энергопресс», «Энергетик», 2009, с. 26-27; Руководство пользователя «1-7000 DIO Manual»]. Помимо оптрона для согласования уровней сигналов, обеспечения требуемого тока режекции, а также реализации электромагнитной совместимости (ЭМС) фильтров применяют наборы варисторов, резисторов, диодов, конденсаторов и других элементов.

Недостатком известного технического решения является контроль состояния ДВ только по одному критерию - уровню падения напряжения на ДВ, задаваемому без учета текущего значения напряжения питания и состояния сети оперативного постоянного тока (СОПТ). Это приводит к ложным срабатываниям ДВ при попадании переменного напряжения в СОПТ, а также при замыкании на землю в кабеле, соединяющем ДВ с управляющим контактом (УК), наблюдающемся при существенном различии сопротивлений изоляции отрицательного и положительного полюсов сети. Кроме этого существует вероятность отказа срабатывания ДВ при снижениях напряжения питания до уровней в 77% от его номинального значения или ниже.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ ввода дискретного сигнала и устройство для его осуществления на основе применения двух оптронов (пороговых элементов) с различными пороговыми значениями (Захаров О.Г., Козлов В.Н., «Цифровые устройства центральной сигнализации» часть 1. // Москва, НТФ «Энергопресс», «Энергетик», 2009, с. 29;). Срабатывание обоих пороговых элементов (чувствительного и грубого) указывает на замыкание УК. Срабатывание только чувствительного порогового элемента указывает на замыкание на землю кабеля, соединяющего ДВ с УК.

Недостатком известного решения является сохранение одного жесткого критерия определения состояния ДВ, а именно по уровню падения напряжения на ДВ, задаваемому без учета текущего значения напряжения питания и состояния СОПТ. Это приводит к ложным срабатываниям ДВ при попадании переменного напряжения в СОПТ, а также при замыкании на землю в кабеле, соединяющем ДВ с УК, наблюдающемся при существенном различии сопротивлений изоляции отрицательного и положительного полюсов сети, что приводит в рамках переходного процесса при замыканиях на землю к приложению к ДВ уровней напряжений, превышающих 77% от номинального напряжения питания. Кроме этого существует вероятность отказа срабатывания ДВ при снижениях напряжения питания до уровней 77% от его номинального значения или ниже.

Задача, на решение которой направленно заявляемое техническое решение, заключается в создании способа ввода дискретного сигнала и устройства для его осуществления, позволяющих устранить недостатки известных способов и устройств на его основе, которые приводят к ложным срабатываниям ДВ, а также к их отказам.

Техническим результатом является повышение надежности работы ДВ в части предотвращения отказов срабатываний и ложных срабатываний.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе ввода дискретного сигнала в устройство релейной защиты, при котором напряжение, поданное на дискретный вход U_диск, сравнивают с заданными пороговыми значениями и в зависимости от результатов сравнения формируют на выходе дискретного входа сигналы о состоянии управляющего контакта и замыкания на землю, принимающие два возможных состояния «истина» или «ложь», и считывают далее устройством релейной защиты, пороговые значения изменяют пропорционально постоянной составляющей измеренного значения напряжения оперативного постоянного тока U_{пит_пост}, служащего источником питания для устройства релейной защиты, в соответствии с соотношением

U_уст=n₁U_{пит_пост,}

где U_уст - уставка грубого/чувствительного порога срабатывания ДВ устройства РЗА;

n₁ - коэффициент отстройки, варьируемый в диапазоне 0,54-0,8 для грубого порога и - 0,10-0,00 для чувствительного порога;

U_{пит_пост} - постоянная составляющая напряжения питания устройства РЗА, определяемая в соответствии с соотношением

где t - текущее значение времени;

U_пит - напряжение питания устройства РЗА, определяемое в соответствии с соотношением U_пит=U_{пит_пост}+U_{пит_пер,}

где U_{пит_пер} - переменная составляющая напряжения питания устройства РЗА;

причем напряжение, поданное на дискретный вход U_диск, перед сравнением с пороговыми значениями фильтруют с учетом гармонических составляющих, присутствующих в измеренном значении напряжения питания устройства РЗА U_пит, и получают расчетное напряжение ДВ U_расч по формуле

,выполняют блокировку ДВ по уровню изменения расчетного напряжения U_pacч за шаг дискретизации в соответствии с соотношением ,

где U_расч - значение расчетного напряжения на ДВ, полученное на предыдущем расчетном шаге;

U_{диф_уст}=0,01_{пит_пост} - уставка по скорости изменения рассчитанного значения напряжения ДВ.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство ввода дискретного сигнала, предназначенное для реализации заявленного способа, содержащее входной согласующий модуль, к одному входу которого подведено измеренное значение падения напряжения на ДВ U_диск, а ко второму - измеренное напряжение питания устройства РЗА U_пит, два пороговых элемента, грубый и чувствительный, введены расчетный модуль, блокирующий модуль и логический модуль, при этом выходы входного согласующего модуля подключены к входам расчетного модуля, выход U_расч которого подключен к входам каждого из пороговых элементов и блокирующего модуля, а их выходы - к входами логического модуля, выходы которого являются выходами заявляемого устройства.

Сущность предлагаемого способа поясняется схемами, зависимостями и графиками изменения расчетного напряжения и его скорости, представленными на рисунках. Указанные рисунки не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного способа и реализованного на его основе аналогового решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом для частного случая исполнения, где на фиг. 1 представлена схема замыкания кабеля, соединяющего ДВ с УК на землю в СОПТ с изолированной нейтралью; фиг. 2 - схема замыкания кабеля, соединяющего ДВ с УК на землю в СОПТ с заземленной нейтралью; фиг. 3 - схема попадания переменного напряжения в СОПТ с изолированной нейтралью; фиг. 4 - схема попадания переменного напряжения в СОПТ с заземленной нейтралью; фиг. 5 - график зависимости соотношений напряжений отрицательного и положительного полюсов СОПТ, измеренных относительно земли, к соотношению сопротивлений изоляции соответствующих полюсов; фиг. 6 - график зависимости соотношений напряжений на ДВ и на сопротивлении изоляции кабеля, соединяющего ДВ с УК, к соотношению сопротивлений изоляции кабеля и ДВ; фиг. 7 - график изменения во времени U_расч при попадании переменного напряжения в СОПТ, амплитуде переменного напряжения на ДВ 170 и 660 В и U_пит=220 B; фиг.8 - график изменения во времени скорости U_расч при попадании переменного напряжения в СОПТ, амплитуде переменного напряжения на ДВ 170 и 660 B и U_пит=220 B; фиг. 9 - график изменения во времени U_расч при попадании переменного напряжения в СОПТ, амплитуде переменного напряжения на ДВ 170 и 660 B и U_пит=170 B; фиг. 10 - график изменения во времени скорости U_расч при попадании переменного напряжения в СОПТ, амплитуде переменного напряжения на ДВ 170 и 660 B и U_пит=170 B; фиг. 11 - график изменения во времени U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 12 - график изменения во времени скорости U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 13 - график изменения во времени U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 14 - график изменения во времени скорости U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 15 - график изменения во времени U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 16 - график изменения во времени скорости U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 17 - график изменения во времени U_pacч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 18 - график изменения во времени скорости U_расч при возникновении замыкания на землю и соотношении ; фиг. 19 - блок схема заявляемого устройства.

Представлен случай возникновения замыкания на землю кабеля, соединяющего ДВ 1 с УК 2. При этом рассматриваются схемы как с изолированной (фиг. 1), так и с заземленной (фиг. 2) нейтралью. Аналогично на фиг. 3 и фиг. 4 представлен случай попадания в СОПТ переменного напряжения произвольной амплитуды U_амп.

Способ ввода дискретного сигнала в устройство РЗА осуществляется следующим образом. Измеряют падение напряжения на самом ДВ (U_диск) и измеряют уровень напряжения питания устройства РЗА (U_пит). Определяют расчетное напряжение ДВ (U_расч), подаваемое на два пороговых элемента по формуле

,

где ;

U_{пит_пост} - постоянная составляющая напряжения питания устройства РЗА;

U_{пит_пер} - переменная составляющая напряжения питания устройства РЗА;

U_уст=n₁U_{пит_пост} - уставка грубого/чувствительного порога срабатывания ДВ устройства РЗА;

n₁ - коэффициент отстройки, варьируемый в диапазоне 0,54-0,8 для грубого порога и - 0,10-0,00 для чувствительного порога;

,

где t - текущее значение времени.

Выполняют блокировку ДВ по уровню изменения указанного выше расчетного напряжения за шаг дискретизации в соответствии с соотношением

,

где U_{диф_уст}=0,01U_{пит_пост} - уставка по скорости изменения рассчитанного значения напряжения ДВ;

U_расч- - значение расчетного напряжения на ДВ, полученное на предыдущем расчетном шаге.

В случае замыкания управляющего контакта (УК) 2 напряжение на дискретном входе (U_диск) станет приблизительно равным напряжению питания (U_пит), а величины U_диск и U_расч при отсутствии помех, наводимых в кабеле, соединяющем ДВ 1 и УК 2, определяют соотношениями

,

.

При размыкании УК 2 напряжение на дискретном входе U_диск определяется падением напряжения на сопротивлении изоляции отрицательного полюса сети оперативного постоянного тока (СОПТ), зависимость которого от величин сопротивлений положительного и отрицательного полюсов СОПТ представлена на фиг. 5, уровнем напряжения питания U_пит и зависимостью между напряжением на ДВ и соотношением сопротивлений изоляции кабеля, соединяющего ДВ 1 и УК 2, и самого ДВ 2 (фиг. 6). Величины U_диск и U_расч при отсутствии помех, наводимых в кабеле, соединяющем ДВ 1 и УК 2, определяют соотношениями

,

,

где R_- - значение активного сопротивления изоляции отрицательного полюса СОПТ (при применении схемы с изолированной нейтралью) или

при применении схемы с заземленной нейтралью;

R_л-, R_л+ и R_л - значения сопротивлений устройства контроля изоляции СОПТ;

R₊ - значение активного сопротивления изоляции положительного полюса СОПТ (при применении схемы с изолированной нейтралью) или

при применении схемы с заземленной нейтралью

R_дв - значение активного сопротивления дискретного входа в несработанном состоянии;

R_каб - значение активного сопротивления изоляции кабеля, соединяющего ДВ и УК;

C_каб - значение емкости сопротивления изоляции кабеля, соединяющего ДВ и УК;

ω - частоты помех, возникающих в СОПТ;

t - текущее значение времени;

- коэффициент, определяющий составляющую U_{пит_пост} приложенную к ДВ при разомкнутом УК при отсутствии замыкания на землю кабеля, соединяющего ДВ с УК (k₁≤0,33 при );

k₂(R_-, R₊, R_дв, R_каб, C_каб, ω, t) - коэффициент, определяющий составляющую U_{пит_пер,} приложенную к ДВ при разомкнутом УК при отсутствии замыкания на землю.

При пробое изоляции кабеля, соединяющего ДВ 1 и УК 2, на землю на ДВ 1 наблюдается переходный процесс в соответствии с соотношениями

,

,

где - коэффициент, определяющий составляющую U_{пит_пост,} приложенную к ДВ 1 при разомкнутом УК 2 при замыкании на землю кабеля, соединяющего ДВ 1 с УК 2;

R_з - значение активного сопротивления изоляции кабеля, соединяющего ДВ и УК при ее пробое;

- коэффициент, определяющий составляющую U_{пит_пер,} приложенную к ДВ при разомкнутом УК при наличии замыкания на землю;

τ - постоянная времени затухания переходного процесса;

а расчетное напряжение ДВ (U_расч) при разомкнутом состоянии УК 2 и пробое изоляции кабеля, соединяющего ДВ 1 и УК 2, на землю определяют по формуле

.

В случае попадания переменного напряжения 7 в СОПТ (фиг.3 и фиг.4) указанное напряжение равномерно распределится между сопротивлением ДВ 1 и сопротивлением изоляции кабеля 3, а величины U_диск и U_расч при отсутствии помех, наводимых в кабеле, соединяющем ДВ 1 и УК 2, при разомкнутом состоянии УК определяют соотношениями

,

,

где U_sin - составляющая амплитуды синусоидального сигнала 7, прикладываемая к ДВ при разомкнутом контакте УК,

φ - начальная фаза синусоидального сигнала с частотой 50 Гц, попадающего в сеть СОПТ.

Положительное и постоянное (при отсутствии помех в кабеле, соединяющем ДВ 1 с УК 2) значения U_расч фиксируют только при замкнутом состоянии УК 2. В остальных случаях контролируемая величина (U_расч) имеет переменную во времени составляющую, которую определяют удвоенным значением переменной части напряжения питания и удвоенным значением изменения напряжения на дискретном входе, вызванного или переходным процессом при замыкании кабеля, соединяющего ДВ с УК, или попаданием переменного синусоидального напряжения в СОПТ. При этом величина переменной части напряжения питания с частотами от 150 до 400 Гц вне зависимости от их уровня на периоде в 6,67 мс будет как складываться, так и вычитаться из основного изменения.

Таким образом, параметрами, определяющими состояния УК («истина» или «ложь»), являются уровень расчетного напряжения и скорость его изменения, взятая с выдержкой времени. Уровень расчетного напряжения позволяет выделить режимы, в которых возможно замкнутое состояние УК 2. При этом данный параметр состояния ДВ не позволяет отстроиться от случаев попадания переменного напряжения в СОПТ и замыкания на землю кабеля, соединяющего ДВ 1 с УК 2, при неблагоприятных соотношениях сопротивлений изоляции положительного 4 и отрицательного 5 полюсов, т.к. в соответствии с фиг. 7, 9, 11, 13, 15 и 17 на части временной оси расчетное значение напряжение оказывается больше его порога срабатывания. Применение скорости изменения расчетного напряжения позволяет отстроиться от случаев попадания переменного напряжения в СОПТ и замыкания на землю кабеля, соединяющего ДВ 1 с УК 2, при неблагоприятных соотношениях сопротивлений изоляции положительного 4 и отрицательного 5 полюсов при условии, если постоянная времени t переходного процесса не менее 50 с^-1 для U_уст=0,54 U_{пит_пост} или не менее 33 с^-1 при U_уст=0,8 U_{пит_пост}, т.к. в соответствии с фиг. 8, 10, 12, 14, 16 и 18 на временных промежутках, при которых происходит выполнение первого критерия, наблюдается выход указанного параметра за пределы уставки.

При этом для замкнутого состояния УК 2 уровень порога срабатывания должен быть положительным и оперативно варьироваться с определенным коэффициентом (0,54-0,80) относительно измеренного и отфильтрованного напряжения питания, что предотвращает отказ срабатывания ДВ при снижении напряжения питания ниже 77% от номинальной величины. Порог срабатывания по скорости изменения рассчитанного значения напряжения необходимо отстроить от изменений отфильтрованного значения U_{пит_пост}, вызванных мгновенными бросками напряжения питания (уровень в 1% от текущего напряжения питания за расчетный шаг дифференцирования Δt). Выдержка времени, применяемая в блокировке по скорости изменения расчетного напряжения, обеспечивает отстройку от помех и гарантирует приложение к расчетному значению напряжения как положительной, так и отрицательной составляющей помех напряжения питания.

Для осуществления заявленного способа ввода дискретного сигнала в устройство релейной защиты предназначено устройство (фиг. 19), содержащее входной согласующий модуль 8, к первому входу которого подключено измеренное значение падения напряжения на ДВ U_диск, а ко второму - измеренное напряжение питания устройства РЗА U_пит, расчетный модуль 9, пороговые элементы 10, 11, блокирующий модуль 12, при этом выход модуля 9 U_расч подключен к чувствительному пороговому элементу 10 с уставкой U_вх>(-0,10-0,00) и грубому пороговому элементу 11 с уставкой U_вх>(0,54-0,80) и к блокирующему модулю 12. Выходы СР_Ч и СР_Г пороговых элементов 10 и 11 и выходы Б1 и Б2 блокирующего модуля 12 являются входами логического модуля 13, а выходы ДВ и ЗМ - выходами заявляемого устройства. Пороговые элементы реализованы на базе оптронов.

Расчетный модуль 9, реализованный, например, на базе операционных усилителей и резисторов, содержит сумматор 14, на вход которого подают сигналы U_диск и U_пит, фильтр низких частот (ФНЧ) 15, на вход которого также заведено U_пит, другой сумматор 16, вход которого соединен с выходами сумматора 14 и ФНЧ 15, инвертор 17, вход которого связан с выходом сумматора 16, делитель 18, вход которого соединен с выходами инвертора 17 и ФНЧ 15.

Блокирующий модуль 12, вход которого соединен с выходом расчетного модуля 9 U_расч, содержит дифференцирующий элемент 19, два пороговых элемента 20 и 21, входы которых связаны с выходом дифференцирующего элемента 19, а выходы Б1 и Б2 подключены к входам логического модуля 13. Причем уставки пороговых элементов 20 и 21 выбираются из условия U_вх>-0,01 для элемента 20 и U_вх<0,01 для элемента 21, где U_вх - напряжение срабатывания порогового элемента.

Логический модуль 13 содержит элемент И 22 с входами Б1 и Б2, таймер 23 (на 5 мс), выход которого подключен совместно с выходом СР_Г порогового элемента 11 на другой элемент И 24, выход которого связан с инверсным входом элемента И 26, а другой вход - с выходом таймера 25 (на 6 мс), вход которого CP_Ч соединен с выходом порогового элемента 10. Выходы логических элементов И 24 и И 26 являются выходами заявляемого устройства.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Входной согласующий модуль 8 обеспечивает согласование входных величин U_диск и U_пит с уровнями напряжений, на которых работают оптроны и операционные усилители. Согласованные U_диск и U_пит передаются в расчетный модуль 9, который обеспечивает определение расчетного значения напряжения ДВ U_расч в соответствии с соотношением

пронормированным относительно отфильтрованного в соответствии с соотношением значения постоянной составляющей напряжения питания следующим образом. На сумматоре 14 выполняется вычитание согласованных U_диск и U_пит, а параллельно на ФНЧ 15 происходит фильтрация U_{пит_пост}, которое далее на сумматоре 16 складывается с удвоенной разностью, полученной на выходе сумматора 14, которая имеет противоположный относительно требуемого знак, и в связи с этим сигнал с выхода сумматора 16 далее передается на инвертор 17. Инвертированный сигнал далее нормируется относительно отфильтрованного U_{пит_пост}, полученного на выходе ФНЧ 15, в делителе 18.

Полученная нормированная величина U_расч передается на чувствительный пороговый элемент 10 с уставкой U_вх>(-0,10-0,00) и грубый пороговый элемент 11 с уставкой U_вх>(0,54-0,80), где происходят сравнения U_расч с двумя порогами, и на блокирующий модуль 12, где выполняется оценка вида кривой расчетного напряжения. При превышении U_paсч величин срабатывания пороговых органов 10, 11 происходит формирование сигнала требуемого уровня СР_Ч и СР_Г, передаваемого в логический модуль 13.

Оценка кривой расчетного напряжения в блокирующем модуле 12 с выдачей сигналов Б1 и Б2, которые также передаются в логический модуль 13, происходит следующим образом. U_расч на входе блока 12, отражающее величину пронормированного относительно отфильтрованного напряжения питания устройства РЗА, дифференцируется на элементе 19. Полученный на выходе элемента 19 уровень сигнала сравнивается с уставками пороговых элементов 20 и 21 (U_вх>-0,01 для элемента 20 и U_вх<0,01 для элемента 21). При нахождении уровня сигнала выше уставки порогового элемента 20 формируется сигнал Б1. При нахождении уровня сигнала ниже уставки порогового элемента 21 происходит формирование сигнала Б2.

В логическом модуле 13 происходит оценка состояния ДВ. При возникновении длительных (более 5 мс) сигналов Б1 и Б2 и сигнала от порогового элемента 11 (СР_Г) происходит формирование на элементе И 24 сигнала ДВ, фиксирующего сработанное состояние ДВ и передаваемого далее в устройство РЗА, а также на инвертирующий вход элемента И 26, что обеспечивает блокировку формирования сигнала о возникновении замыкания кабеля, соединяющего ДВ с УК, на землю. При этом в случае длительного (более 6 мс) возникновения сигнала срабатывания чувствительного порогового органа (сигнал СР_Ч) и отсутствия сигнала ДВ, на элементе И 26 происходит формирования сигнала ЗМ, фиксирующего замыкание на землю кабеля, соединяющего ДВ с УК. Указанный сигнал также передается в устройство РЗА.

Все модули устройства могут быть реализованы при использовании современной элементной базы и на стандартных компонентах.

Таким образом, указанный способ обеспечивает гарантированную отстройку от дребезга контактов УК 2, от ложного срабатывания ДВ при попадании переменного напряжения любой амплитуды, при замыкании кабеля СОПТ, соединяющего ДВ 1 с УК 2 (при условии, если постоянная времени t переходного процесса не менее 50 с^-1 для U_уст=0,54 U_{пит_пост} или не менее 33 с^-1 при U_уст=0,8 U_{пит_пост}). Помимо этого данный способ предотвращает отказ срабатывания ДВ при снижении напряжения питания ниже 77% номинальной величины.