СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА Российский патент 2005 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к релейной защите, может быть применено для защиты разных энергообъектов: линий электропередачи, генераторов, трансформаторов и других.

Обычно устройства релейной защиты используют только часть имеющейся информации о состоянии контролируемого объекта. Например, измеряются три тока и три напряжения разных фаз линии электропередачи. В дистанционной защите устанавливают три реле сопротивления для контроля каждого из трех междуфазных каналов, подавая на входы одного реле один ток и одно напряжение. Реле действуют независимо друг от друга, используя только ту информацию, которая включена в их собственных входных величинах. Остальная информация каждым отдельно взятым реле игнорируется, хотя и используется другими реле, но, разумеется, тоже по частям, носящимся к каждому из них.

Известно техническое решение [1], согласно которому реле получает в качестве входных величин большее число измеренных токов и напряжений. Сделано это ради расширения функциональных возможностей реле, которое приобретает в результате способность распознавать междуфазные замыкания в различных фазах. Со временем выделился класс таких реле, получивших название трехфазных [2] или многофазных.

Известны также способы объединения информации ради повышения распознающей способности защиты [3,4]. Их отличительная особенность заключается в том, что измеряемые электрические величины преобразуют совместно с априорной информацией об энергообъекте в комплексные величины. Совместное преобразование реализуется с помощью модели энергообъекта, параметры которой задают с учетом априорной информации. Комплексные величины, например комплексное сопротивление, отображаемые каждый на своей комплексной плоскости, являются двумерными сигналами. Каждый из таких сигналов, полученных путем преобразования всей имеющейся информации о состоянии объекта, подают на вход одного реле.

Рассматривая все реле как исполнительную группу, объединяют их выходные сигналы логической операцией И, результат которой используют как выходной сигнал релейной защиты. Каждый двумерный сигнал отображают на его собственной плоскости, где и задают область срабатывания ответствующего реле. Характеристики срабатывания - границы областей - определяют, проводя проверку срабатывания защиты на имитационных моделях энергообъекта в режимах, альтернативных контролируемому, распознавание которого является задачей релейной защиты. Принципиальный недостаток данного способа заключается в том, что каждому двумерному сигналу, несущему часть информации о состоянии объекта, ставится в соответствие только одна характеристика срабатывания. Защита срабатывает, если все сигналы попадают в свои плоские области срабатывания. Однако данное условие срабатывания не исчерпывает всех возможностей распознавания аварийных состояний энергообъекта.

Целью изобретения является повышение чувствительности релейной защиты, понимаемой как повышение ее способности распознавать короткие замыкания.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ релейной защиты, в котором приняты некоторые меры к объединению информации о состоянии энергообъекта, совершенствуется до такой степени, что приобретает способность объединять информацию вплоть до максимально возможного физического предела. Иными словами, релейная защита наделяется способностью оперировать информацией в многомерном пространстве, хотя каждое отдельно взятое реле остается с характеристикой срабатывания, традиционно задаваемой на плоскости двумерного, в частном случае комплексного сигнала. Конкретные средства достижения поставленной цели заключаются в следующем. Вместо каждого из использовавшихся ранее реле вводят группу аналогичных ему реле. Аналогия между основными и дополнительными реле, образующими указанную группу, заключается в том, что каждое из них включают на один и тот же двумерный сигнал и их характеристики срабатывания задают на одной и той же плоскости данного сигнала. Кроме того образуют исполнительные группы реле, включая в каждую из них по одному представителю каждой группы аналогичных реле. Исполнительная группа срабатывает по схеме И, а разные исполнительные группы действуют независимо друг от друга по схеме ИЛИ, создающей выходной сигнал релейной защиты.

Принципиально важную роль в предлагаемом способе играет процедура задания характеристик срабатывания отдельных реле. На плоскости двумерного сигнала выделяют некоторое число ячеек заданной формы. Часть из них послужит областями срабатывания тех аналогичных реле, которые включены на двумерный сигнал. Ячейки нумеруют, а из номеров разных плоскостей составляют массив кодов. Из него устраняют те коды, которые могут дать ложное срабатывание релейной защиты. Их обнаруживают, проводя испытания защиты на имитационных моделях энергообьекга в режимах, альтернативных контролируемому. Например, для дистанционной защиты к числу альтернативных относятся нагрузочные режимы, а также короткие замыкания вне зоны, "за спиной", в другой цепи двухцепной линии.

После исключения кодов альтернативных режимов остаются в общем массиве еще и излишние коды, которые не встречаются при контролируемых замыканиях. Их тоже исключают, чтобы не расширять без необходимости область срабатывания защиты. Для этого проводят испытания защиты на моделях энергообъекта в контролируемом режиме, определяют соответствующие ему коды срабатывания и только их и сохраняют в массиве кодов, а все остальное исключают. Последним принципиально важным моментом является задание областей срабатывания каждого отдельно взятого реле, входящего, с одной стороны, в группу аналогичных реле, а с другой стороны, в одну или, возможно, нескольких групп исполнительных реле. Число аналогичных реле выбирают равным числу ячеек срабатывания на плоскости соответствующего двумерного сигнала, а областью срабатывания одного из аналогичных реле назначают одну из ячеек

Дополнительные пункты формулы изобретения оговаривают форму ячеек и порядок их подбора. Простейшая форма - четырехугольная, наипростейшая - прямоугольная с расположением параллельно осям координат. Такая форма удобна для представления комплексных сигналов их ортогональными составляющими. Для представления в полярной форме удобнее криволинейные ячейки, ограниченные окружностями с центрами в начале координат лучами, исходящими оттуда же.

Отдельно предлагается путь формирования общих областей срабатывания на каждой из плоскостей. Желательно задавать их в форме односвязных фигур, когда ячейки срабатывания прилегают друг к другу. Ячейки могут быть разной величины, сначала задают по одной самой крупной ячейке на каждой плоскости, а затем присоединяют к ней ячейки уменьшающихся размеров.

Предлагается еще и вариант с разным числом ячеек на разных плоскостях, что упрощает реализацию способа. Разные двумерные сигналы несут неодинаковые объемы информации. Так, при междуфазном замыкании наибольший объем информации сосредоточен в сопротивлении на входе реле поврежденного междуфазного канала, а сопротивления других каналов информационно беднее. Поэтому в данном случае целесообразно взять больше ячеек на плоскости группы реле поврежденного канала, чем на плоскостях иных реле.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого способа, а на фиг.2, 3 - различные варианты задания характеристик срабатывания элементарных реле; на фиг.2 все ячейки имеют общие границы, а на фиг.3 - не все.

Структурная схема предлагаемого способа включает в себя группы аналогичных реле 1, 2, 3. Те же реле в ином сочетании образуют исполнительные группы 4, 5, 6. Группы первого типа могут состоять из разного числа элементарных реле. Так, в группы 1 и 2 входят по три реле 7-9 и соответственно, 10-12, а в группу 3 - только два реле 13, 14. Но в исполнительные группы входит всегда одно и то же число элементарных реле - по одному от каждой группы аналогичных реле. Таким образом, число реле в каждой исполнительной группе оказывается равным числу элементарных реле в самой многочисленной группе аналогичных реле. Малочисленная группа аналогичных реле будет представлена одним и тем же своим элементарным реле в более чем одной исполнительной группе. Так, в данной схеме реле 14 входит одновременно в исполнительные группы 5 и 6. Выходы всех реле одной и той же исполнительной группы связаны схемой И. На фиг.1 это блоки 15-17, выходы которых по схеме ИЛИ 18 формируют выходной сигнал релейной защиты. Входные двумерные сигналы на все реле поступают от преобразователя 19. В рабочем состоянии преобразователь подключен к энергообъекту 20, откуда поступают сигналы, пропорциональные токам и напряжениям режима, в котором находится энергообъект. Априорная информация может поступать в преобразователь 19 по другим каналам, не показанным на схеме.

В процессе настройки (обучения) релейной защиты, когда формируются характеристики срабатывания элементарных реле, преобразователь 19 переключается на модели энергообъекта: модель контролируемого режима 21 или модель альтернативного режима 22. Коммутацию осуществляют ключи 23-25.

В схеме по фиг.1 показаны три двумерных сигнала а, b, с, которые отображаются на своих плоскостях 26-28 (фиг.2 и 3). Для простоты указано небольшое число ячеек: по три для сигналов а и b и только две для сигнала с. Ячейки образуют 3×3×2=18 кодов. Каждая ячейка является областью срабатывания одного реле; далее принято следующее соответствие:

Номер релеНомер ячейки7al8а29а310b111b212b313с114с2

По предлагаемому способу число ячеек на каждой плоскости, их форма, размер, расположение задаются заранее на основании имеющегося опыта. Недостаток опыта может сказаться на числе ячеек, оно окажется завышенным, но цель - повышение чувствительности защиты - тем не менее будет достигнута в любом случае.

После задания ячеек становится известным число элементарных реле и характеристики срабатывания каждого их них. В данном случае таких реле будет восемь, из них три реле 7, 8, 9 включаются на сигнал а, три реле 10-12 на сигнал b и два реле 13, 14 - на сигнал с. Но число и состав исполнительных групп пока не известно. Оно определяется после настройки (обучения) реле. Первый этап настройки заключается в воздействии на преобразователь 19 моделью энергообъекта 21, имитирующей различные альтернативные режимы. Каждый режим отображается на всех плоскостях двумерных сигналов. Точки этого альтернативного режима могут вовсе не попасть в выделенные ячейки или же попасть в них частично, т.е. не на всех плоскостях. Такому режиму не будет отвечать ни один из задействованных кодов. Однако найдется такой альтернативный режим, точки которого окажутся в каких-либо выделенных ячейках на всех плоскостях одновременно. Это будет означать задание одного из имеющихся кодов. Допустим точки альтернативного режима оказались в ячейках a1, b2, с2; примем условное обозначение соответствующего кода а1-b2-с2. Очевидно его придется исключить из общего массива кодов, так как попадание в этот код в будущем не должно приводить к срабатыванию защиты. Предположим, что в ходе испытаний на множестве альтернативных режимов подобная же судьба постигла еще часть кодов, скажем, такие: а1-b2-с1, а1-b3-с2, а2-b1-с2, а2-b2-с1, а2-b3-с2, а3-b1-c1, a3-b1-c2, a3-b2-c1, a3-b2-c2, а3-b3-c1. тогда получится, что из 18 имеющихся кодов альтернативные режимы заняли 11. Остаются 7 кодов, где принципиально возможно срабатывание защиты.

На втором этапе настройки защиты проверяют целесообразность включения остающихся кодов в область срабатывания защиты. Преобразователь 19 переключают на модель энергообьекта 22, имитирующую контролируемый аварийный режим. Испытания выявят ту часть остающихся кодов, которая соответствует именно этому режиму. Допустим это будут коды a1-b1-c1, a2-b2-c2 и a3-b3-c2. Их только три, а оставалось семь. Значит, четыре оказываются пустыми; в них не попадают ни альтернативные, ни контролируемый режим. В данном примере это будут коды а1-b1-с2, а2-b1-с1, a1-b3-c1, a2-b3-c1. Их также исключают из массива кодов срабатывания.

На третьем этапе формируются исполнительные группы реле. Коду срабатывания a1-b1-c1 отвечает группа 4, а кодам a2-b2-c2 и a3-b3-c2 - группы 5 и 6. Тем самым завершается настройка релейной защиты, и та будет готова к работе. Если в ходе испытаний никакие альтернативные режимы пропущены не были, то ложная работа предлагаемой защиты принципиально невозможна. По мере уменьшения размера ячеек и увеличения их числа распознающая способность защиты все более возрастает, стремясь к физическому пределу - распознаваемости контролируемой ситуации. Распознаваемость есть свойство самого объекта и вместе с тем предел распознающих свойств релейной защиты [5].

Наиболее просты в реализации реле с характеристиками четырехугольной, особенно прямоугольной формы. Следующие по простоте - характеристики, ограниченные дугами окружностей и лучами.

Чтобы не завышать число испытаний защиты в альтернативных режимах, предлагается дополнительно проверять односвязность получаемых в результате настройки областей срабатывания.

Например, если бы оказалось, что на плоскостях двумерных сигналов по фиг.3 в кодах срабатывания не оказалось ячейки а2 или b2, либо той и другой, то была бы нарушена односвязность общей области срабатывания или на плоскости 26, или 27, либо на той и другой. Восстановить односвязность можно отказавшись от кодов срабатывания, содержащих ячейку а1 или а3 (при отсутствии а2), а также от b1 или b3 (при отсутствии b2).

Для упрощения защиты желательно не завышать число кодов срабатывания, напрямую зависящую от размера ячеек. Предлагается проводить рекуррентную настройку релейной защиты: сначала на самых крупных ячейках, охватывая определенную часть контролируемых состояний энергообъекта, затем на ячейках меньших размеров.

Еще одно мероприятие, упрощающее защиту, заключается в выделении разного числа ячеек на плоскостях разных двумерных сигналов. Для защиты линий электропередачи более всего подходят двумерные сигналы в виде комплексных сопротивлений. Предлагается в этом случае определять вид повреждения и поврежденные фазы энергообъекта, выявляя в результате поврежденные каналы линии. При однофазном замыкании это будет один из фазных каналов, при междуфазном - один из линейных каналов, а при двухфазном замыкании на землю таких каналов будет три: два фазных и один линейный. На плоскостях сопротивлений поврежденных каналов предлагается выделять большее число ячеек, чем на плоскостях неповрежденных каналов. Предложенный способ универсален в том отношении, что не зависит от типа объекта.

Варьируются только двумерные сигналы, которые могут быть комплексами или же парой вещественных величин, например отсчетов тока и (или) напряжения. Универсально и задание характеристик срабатывания, которое происходит путем настройки (обучения) защиты в режимах альтернативных контролируемому, т.е. запрещенных к срабатыванию, и непосредственно в контролируемом, где желательно обеспечить высокую чувствительность. Эксперименты подтверждают возможность повышения чувствительности защиты, действующей по предлагаемому способу, вплоть до физического предела - распознаваемости коротких замыканий.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР №66343, кл. H 02 H 3/28, 1944.

2. Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты. М.: Энергоатомиздат, 1986 (с.88-89).

3. Патент РФ №2066511, кл. H 02 H 3/40, G 01 R 31/08, 1992.

4. Патент РФ №2149489, кл. H 02 H 3/40, G 01 R 31/08, 1999.

5. Распознавание повреждений электропередачи. Ч.1-3, Электричество, 2001, №2,3,12.

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для линий электропередачи, генераторов, трансформаторов и тому подобное. Осуществляют совместное преобразование измеряемых электрических величин и априорной информации об энергообъекте в двумерные сигналы. Воздействуют ими на исполнительную группу реле. Выделяют на плоскости каждого двумерного сигнала отдельные ячейки. Составляют из номеров ячеек разных плоскостей массив кодов. Проводят испытания защиты на моделях энергообъекта в альтернативных режимах и определяют соответствующие им коды несрабатывания, которые исключают из массива кодов. Проводят испытания защиты на моделях энергообъекта в контролируемом режиме. Определяют соответствующие ему коды срабатывания. Сохраняют их в массиве кодов, а остальные коды исключают. Составляют группы аналогичных реле, дублируя каждое основное реле аналогичными ему дополнительными реле, и дополнительные группы исполнительных реле. В каждую группу исполнительных реле включают по одному реле из каждой группы аналогичных реле. Принимают в качестве областей срабатывания реле ячейки соответствующего кода на соответствующих плоскостях. Объединяют выходные сигналы всех реле одной и той же дополнительной исполнительной группы логической операцией И, а выходные сигналы всех исполнительных групп - операцией ИЛИ, результатом которой дополняют выходной сигнал релейной защиты. Технический результат - увеличение способности распознавания короткого замыкания. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ релейной защиты энергообъекта путем совместного преобразования измеряемых электрических величин и априорной информации об энергообъекте в двумерные сигналы и воздействия ими на исполнительную группу реле, содержащую по одному реле на каждый сигнал, задания характеристик срабатывания каждого реле на плоскости соответствующего двумерного сигнала, объединения выходных сигналов реле исполнительной группы логической операцией И, использования ее результата как выходного сигнала релейной защиты и проверки несрабатывания защиты на моделях энергообъекта в режимах, альтернативных контролируемому, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, выделяют на плоскости каждого двумерного сигнала отдельные ячейки, составляют из номеров ячеек разных плоскостей массив кодов, проводят испытания защиты на моделях энергообъекта в альтернативных режимах и определяют соответствующие им коды несрабатывания, которые исключают из массива кодов, проводят испытания защиты на моделях энергообъекта в контролируемом режиме, определяют соответствующие ему коды срабатывания, сохраняют их в массиве кодов, а остальные коды исключают, составляют группы аналогичных реле, для чего дублируют каждое основное реле аналогичными ему дополнительными реле, и дополнительные группы исполнительных реле по числу сохраненных кодов, причем в каждую группу исполнительных реле включают по одному реле из каждой группы аналогичных реле, принимают в качестве областей срабатывания реле ячейки соответствующего кода на соответствующих плоскостях, объединяют выходные сигналы всех реле одной и той же дополнительной исполнительной группы логической операцией И, а выходные сигналы всех исполнительных групп - операцией ИЛИ, результатом которой дополняют выходной сигнал релейной защиты.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на плоскости каждого двумерного сигнала выделяют ячейки четырехугольной формы.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что выделяют прямоугольные ячейки, стороны которых располагают параллельно осям координат в плоскости каждого двумерного сигнала.4. Способ по п.2, отличающийся тем, что выделяют ячейки, ограниченные окружностями с центрами в начале координат и лучами, исходящими из начала координат.5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что области срабатывания реле на каждой плоскости задают в форме односвязных фигур, которые составляют из прилегающих друг к другу ячеек разной величины, вначале определяют по одной самой крупной ячейке срабатывания на каждой плоскости, а затем присоединяют к ней и друг к другу ячейки все уменьшающихся размеров.6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве двумерных сигналов используют комплексные сопротивления, определяют вид повреждения и поврежденные фазы энергообъекта, и наибольшее число ячеек выделяют на плоскости поврежденного канала: соответствующего фазного при однофазном замыкании, соответствующего линейного при междуфазном замыкании, двух фазных и одного линейного при двухфазном замыкании на землю.