СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА Российский патент 2008 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к релейной защите и автоматике электрических систем или любых электроэнергетических объектов. Первым аналогом данного изобретения можно считать широко известное реле Бреслера [1], наделенное способностью обрабатывать все входные величины, а не только две, как в обычном реле сопротивления. Развитием идеи объединения всей доступной информации стали дистанционные способы защиты линий электропередачи [2, 3], что в итоге привело к представлениям об алгоритмических (виртуальных) реле, размещаемых в ветвях предполагаемых повреждений в алгоритмической модели энергообъекта. Виртуальные реле действуют независимо друг от друга. Получается, что концепция объединения информации реализуется ими лишь наполовину. Замер каждого виртуального реле определяется как результат преобразования всей имеющейся информации. Замеры различаются операциями преобразований. Но поскольку реле действуют автономно и не подстраховывают друг друга, их приходится настолько загрублять, что распознающая способность защиты оказывается в итоге намного ниже распознаваемости коротких замыканий [5].

Известно техническое решение, кардинально решающее проблему повышения распознающей способности защиты энергообъекта [6]. Оно заключается в создании уставочного пространства (пространство замеров) в виде множества уставочных плоскостей, в разбиении каждой плоскости на отдельные ячейки, в кодировании наборов ячеек разных плоскостей и в обучении защиты срабатывать от кодов, отвечающих контролируемым режимам, и ни в коем случае не срабатывать от кодов, отвечающих режимам, альтернативным контролируемым. Принципиально важно, что по отношению к каждой из плоскостей все остальные плоскости играют по существу блокирующую роль, предотвращая ложное срабатывание защиты.

Высокая общность обсуждаемого способа оказалась не только его достоинством, но и недостатком. Он по сути дела уравнял в правах все замеры, не отдав предпочтения тем, что уже хорошо зарекомендовали себя в релейной защите. Подход к формированию набора ячеек стал чисто формальным. В итоге возникла проблема разграничения массивов кодов срабатывания и кодов блокирования защиты, сужающая функциональные возможности способа.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и в одновременном упрощении способа без ущерба для его общности. Более того, ставится задача придать ему даже еще более общую форму, опираясь при этом на традиционные представления релейной защиты.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что структура любой защиты сводится к модулям двух типов; первый формирует сигнал на срабатывание, второй - на блокирование защиты. Модули обучаются от имитационных моделей энергообъекта в альтернативных режимах. Новое состоит в многослойности структуры. В отличие от ячеистой структуры прототипа, где все семейства ячеек равноправны, здесь вводятся иерархические последовательности дополнительных модулей как первого, так и второго типа. Чувствительность модулей первого типа повышают по мере продвижения от основного модуля к концу последовательности. Дополнительные модули первого типа работают по схеме ИЛИ с однотипным для них основным модулем. Модули первого и второго типов объединяют в пары равной иерархии. Принципиальное значение имеет тот факт, что каждый модуль первого типа блокируют всеми модулями второго типа низшей иерархии, а вдобавок еще и модулем равной иерархии. Созданная структура проходит обучение на альтернативных режимах. Определяют те режимы, которые вызывают срабатывание очередного дополнительного модуля первого типа и обучают входящий в одну с ним пару модуль второго типа реагировать на эти режимы. Совокупность перечисленных технических признаков обеспечивает поэтапное повышение чувствительности модулей первого типа, а значит и всей защиты, с сохранением селективности как функции модулей второго типа.

В зависимом пункте формулы изобретения приводится частный случай предлагаемого способа, когда не имеется возможности представить основную защиту в виде сочетания модулей двух типов. Основная защита становится в таком случае единым основным модулем первого типа, и счет модулей первого типа начинается с появлением дополнительных модулей, т.е. первая иерархическая последовательность начинается с основного модуля, а вторая - с дополнительного.

На фиг.1 изображена структурная схема, реализующая предлагаемый способ. На фиг.2 дана иллюстрация процесса обучения защиты, организуемого согласно предлагаемому способу. На фиг.3-6 приведены иллюстрации, необходимые для теоретического обоснования предлагаемого способа: фиг.3 поясняет различные ситуации, встречающиеся при распознавании конкретного режима энергообъекта, фиг.4 относится к распознаванию множества режимов, фиг.5 иллюстрирует первый (начальный) этап обучения защиты, а фиг.6 - второй этап.

Защита 1, подключаемая к энергообъекту 2, состоит из иерархических последовательностей 3 и 4 модулей первого и второго типа, совокупности 5 элементов И, оконечного элемента ИЛИ 6. Показаны по три модуля каждой последовательности: модули первого типа 7-9, второго типа 10-12. Модули разного типа образуют пары равной иерархии: 7 и 10, 8 и 11, 9 и 12; низшая иерархия у первой пары, высшая - у третьей. Элементы И 13-15 в свою очередь выстраиваются в подобную же иерархическую последовательность, идущую от 13 к 15.

Вектор замера z передается от объекта 2 защите 1 по шине 16. Реакцией на замер z является логический сигнал δ, снимаемый с выхода 17 элемента 6. Входная шина разветвляется на цепи 18 и 19. По первой цепи 18 передается подвектор z_а, а по второй 19 - подвектор z_b. Замер z_a обрабатывается модулями первого типа 7-9, а замер z_b - модулями второго типа 10-12. Выходы 20-22 модулей первого типа и выходы 23-25 модулей второго типа подключены ко входам элементов И 13-15 по следующему правилу: выход каждого из модулей первого типа подводится только к одному из элементов И, а выход каждого из модулей второго типа подводится ко всем элементам И низшей и равной иерархии. Модули 7 и 10 образуют пару первого уровня и считаются основными. Модули 8 и 11 образуют пару второго уровня иерархической последовательности и являются вместе с тем первыми дополнительными модулями. Модули 9 и 12 образуют пару верхнего уровня, если ими последовательности 3, 4 и завершаются. Выходы 26-28 элементов И независимы, элемент ИЛИ 6 объединяет их в единый выходной сигнал δ. Выходные сигналы 26-28 не только дополняют, но и резервируют друг друга.

На фиг.2 приведен пример дообучения защиты 1, после чего получается еще более чувствительная защита 29. В роли учителя выступает имитационная модель объекта 30, воспроизводящая альтернативные режимы. Режим задается вектором параметров модели х_β, формируемым объектным блоком 31. Защита 29 отличается от защиты 1 тем, что содержит дополнительные модули первого типа 32 и второго типа 33, которые образуют четвертую пару. Ей соответствует дополнительный четвертый элемент И 34, объединяющий выходы модуля первого типа 32 с выходами всех блокирующих модулей, включая и дополнительный модуль 33. В результате элемент И 34 оказывается пятивходовым; на один вход больше, чем у предыдущего элемента И 15. Оконечный элемент ИЛИ 35, заменяющий прежний элемент ИЛИ 6, формирует выходной сигнал 36, в котором к прежнему сигналу 17 добавляется еще и реакция четвертого по счету канала 37, действующего наряду с тремя предыдущими 26-28.

На чертежах, поясняющих предлагаемый способ, используются следующие обозначения:

С - объектное пространство, в котором определен вектор параметров х имитационной модели объекта,

А - уставочное пространство, в котором определен вектор замера z, передаваемый по шине 16,

α - общее обозначение контролируемых режимов, от которых следует защищать энергообъект 2,

β - общее обозначение альтернативных режимов, на которые защита не должна реагировать,

С_α - объектное пространство α-режимов,

С_β - объектное пространство β-режимов,

А₁ и A₂ - уставочные пространства модулей первого и второго типа,

G - область объектных параметров имитационной модели,

G_Σ - область определения объектных параметров, за пределы которой их значения не выходят,

S - область уставочного пространства,

F - преобразование режима имитационной модели х (или области режимов x∈G) в замер z (или область замеров z∈S) - прямое преобразование

z=F(x)

или

S=F(G),

F^-1 - преобразование замера z (или области замеров z∈S) в множество режимов

G=F^-1(z)

или

G=F^-1(S).

Преобразование F однозначно, a F^-1 - как правило, неоднозначно, так как число объектных параметров обычно превышает размерность замера z.

На фиг.3 рассматриваются ситуации, возникающие при исследовании информационных свойств конкретного замера z₁. Имеются имитационные модели α- и β-режимов с заданными объектными областями G_αΣ и G_βΣ, известны прямые и обратные преобразования F_1α, F_1β, F_2α, F_2β; F_α1 ^-1, F_β1 ^-1, F_α2 ^-1, F_β2 ^-1.

Объектная область G_βΣ преобразуется в уставочную область S_1βΣ=F_1β(G_βΣ). На фиг.3а изображен тот случай, когда замер z₁ оказывается вне области S_1β, следовательно, в блокирующих модулях 4 необходимости не возникает. Обратное α-преобразование определяет область контролируемых режимов, отвечающих данному замеру: G_α=F_α1 ^-1(z₁).

На фиг.3б изображена более сложная ситуация, когда замер z₁ попадает в область S_1βΣ. На этот раз без блокирующего модуля распознавание аварийных режимов G_α невозможно, так как замеру z₁ отвечает еще область альтернативных режимов G_β=F^-1 _β1(z₁). Выручает блокирующее уставочное пространство А₂, где отображения областей G_α и G_β, а именно S_2α=F_2α(G_α) и S_2β=F_2β(G_β), не только не пересекаются, но и расходятся на достаточное расстояние d. Задав область срабатывания модуля 7 с охватом z₁, а модуля 10 с охватом S_2β, обеспечиваем распознавание режима G_α.

На фиг.3в показана менее благоприятная ситуация, когда области S_2α и S_2β пересекаются в подобласти S_2αβ, которой отвечает объектная подобласть G_αβ=F_α2 ^-1(S_2αβ). Режимы x_α∈G_αβ оказываются физически нераспознаваемыми. Но остается распознаваемая подобласть G_αα=G_α/G_αβ - часть области С_α за вычетом G_αβ. Защита объекта в подобласти G_αα становится возможной только благодаря блокировке области S_2αβ.

Наконец, на фиг.3г показана наихудшая ситуация, когда замер z₁ вовсе не позволяет сделать заключение об аварийном режиме. На этот раз область S_2α попадает внутрь области S_2β, и здесь блокировка приводит к запрету срабатывания от замера z₁. Таким образом, в данном случае имеет место ситуация абсолютной нераспознаваемости α-режимов, отображающихся замером z₁.

На фиг.4 вместо одного замера z₁ рассматривается область замеров S₁, обратные преобразования которой в объектные пространства контролируемых и альтернативных режимов укажут объектные области G_α и G_β, неразличимые, если пользоваться лишь одним уставочным пространством А₁. Показано, что помогает второе уставочное пространство А₂. Отображая области G_α и G_β в этом пространстве, получаем в наиболее общем случае пересекающиеся отображения S_2α и S_2β. Области их пересечения S_2αβ отвечает объектная область G_αβ. Остается та часть G_αα объектной области G_α, в которой α-режимы отвечают критерию распознаваемости. Цепочка прямых и обратных преобразований, определяющих в конечном итоге область G_αα, приведена на фиг.4.

Реализовать распознающие свойства уставочной области S₁ удается, как видим, лишь при том условии, что во втором уставочном пространстве A₂ будет заблокирована область S_2αβ. На фиг.5 и 6 показано, как эта возможность распознавать аварийные α-режимы реализуется в предлагаемом способе. Фиг.5 иллюстрирует ту часто встречающуюся ситуацию, когда имеется некоторая уставочная область S_1α(1), отвечающая критерию абсолютной распознаваемости. Это значит, что отображение S_1βΣ альтернативных режимов не пересекается с S_1α(1). Номер в аргументе указывает этап формирования характеристик защиты.

Иллюстрации на фиг.6 поясняют работу сразу двух структур по фиг.1 и фиг.2. Во-первых, можно отнести характеристику срабатывания S_1α(1) к модулю 7, заметив, что в модуле 10 тогда не возникает необходимости, и рассмотреть характеристики модулей 8 и 11. Во-вторых, можно отнести эту характеристику к объединению блоков 3 и 4, а затем получить характеристики дополнительных модулей 32 и 33. Рассмотрим вариант, относящийся к структуре по фиг.2, так как она ориентирована на обучение защиты, предшествующее подключению к объекту 2.

На первом этапе обучения будут сформированы блоки 3 и 4, обеспечивающие совместно срабатывание в области S_1α(1). На втором этапе с целью повышения чувствительности защиты вводится модуль 32 с характеристикой S_1α(2), представляющей собой расширение предыдущей характеристики S_1α(1). Новая характеристика допускает срабатывание модуля 3 в подобласти S_1αβ(2). Предотвратить ложную работу призван блокирующий модуль 33. Его характеристика S_2αβ(2) строится в блокирующем уставном пространстве A₂, для чего одни и те же режимы имитационной модели 31 отображаются в области S_1αβ(2) и параллельно - в S_2αβ(2). Блокирующий модуль 33 повлияет на поведение защиты не только в β-режимах, для чего он и предназначен, но и в α-режимах, что является платой за повышение чувствительности. На фиг.6 показано, что модуль 33 с характеристикой S_2αβ(2) приведет к запрету срабатывания защиты в объектной области G_αβ(2). Останется область G_αα(2), где модуль 32 не будет заблокирован. Обратим внимание на принципиально важную деталь, заключающуюся в том, что объектная область срабатывания G_α(2) модуля 32 полностью охватывает область срабатывания G_α(1) защиты, состоящей из модулей 3 и 4, в то время как область срабатывания G_αα(2) второй пары модулей 32, 33 уже не включает в себя области G_α(1). Данное обстоятельство поясняет необходимость параллельной работы первой пары модулей 3, 4 с выходами элементов И 5 и второй пары 32, 33 с выходом 37 элемента И 34.

Благодаря разграничению информации на две группы и отображению каждой из них в разных уставочных плоскостях у предлагаемого способа появляются широкие функциональные возможности. Дополнительная информация должна быть присоединена к блокирующей группе, что не затронет выполнения традиционных модулей защиты, но позволит задавать всякий раз все более чувствительные уставки, блокируя вместе с тем опасные альтернативные режимы.

Источники информации

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

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

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

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

5. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Павлов А.О., Ефимов Е.Б., Законьшек Я. Распознаваемость повреждений электропередачи. Ч.1, 2, 3. - Электричество, 2001, №2, с.16-23; №3, с.16-24; №12, с.9-22.

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

Изобретение относится к релейной защите электрических систем или любых иных энергообъектов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Согласно способу структура релейной защиты состоит из двух разнотипных модулей; первый формирует сигнал на срабатывание, а второй - на блокирование защиты. Защита проходит цикл обучения от имитационных моделей энергообъекта в режимах, альтернативных контролируемым. В систему защиты введены две иерархические последовательности дополнительных модулей первого и второго типов. Чувствительность первых повышают по мере продвижения к концу последовательности, а ложную работу защиты предотвращают, обучая модули второго типа блокировать альтернативные режимы, вызывающие срабатывание модулей первого типа. В частном случае процесс обучения протекает без разделения уже имеющейся защиты на модули двух типов, но тогда дополнительные модули второго типа могут работать с новой информацией вне существующей защиты, которая при этом тиражируется программным способом, и у каждой последующей копии выбираются более чувствительные уставки, чем у предыдущей. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ релейной защиты энергообъекта путем построения ее из модуля первого типа, формирующего сигнал на срабатывание, и из модуля второго типа, формирующего сигнал на блокирование, и обучения посредством подачи сигналов от имитационных моделей энергообъекта, воспроизводящих режимы, альтернативные контролируемым, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, включают по схеме ИЛИ с основным модулем первого типа первую иерархическую последовательность дополнительных модулей того же типа, чувствительность которых повышают по мере продвижения к концу последовательности, включают параллельно основному модулю второго типа вторую иерархическую последовательность дополнительных модулей того же типа так, что каждому модулю первого типа соответствует один модуль второго типа равной иерархии, блокируют каждый модуль первого типа всеми модулями второго типа низшей и равной иерархии, определяют альтернативные режимы, вызывающие срабатывание очередного дополнительного модуля первого типа, и обучают дополнительный модуль второго типа равной иерархии реагировать на указанные альтернативные режимы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что основные модули первого и второго типов объединяют и включают в первую иерархическую последовательность, а вторую иерархическую последовательность начинают с дополнительного модуля второго типа.