АППАРАТ И СПОСОБ ДЛЯ АДАПТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В МЕГАВОЛЬТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2013 года по МПК H02H3/93 

Уровень техники

Данное изобретение относится к обнаружению повреждений в электрических силовых распределительных системах. Оно находит особое применение в обнаружении и оповещении о едва заметных повреждениях фидеров для воздушных и подземных фидеров, которые обычно не обнаруживаются традиционным интеллектуальным электронным устройством (IED) защиты фидера.

Подземные и воздушные фидеры и кабели представляют собой ключевой компонент в передаче и распределении электрической энергии. Однако, к сожалению, воздушные фидеры и кабели могут быть склонны к коротким замыканиям или иным соединениям с ненормально низким полным сопротивлением между двумя или более фазами или между одной или более фазами и землей. Эти и другие повреждения фидера, включая повреждения кабеля, могут быть вызваны рядом факторов, включая человеческую ошибку (например, случайное перерезание кабеля или нанесение по нему удара), климатические условия (например, осадки, сейсмическую активность или удары молнии), активность животных и выход из строя или деградация кабеля или связанного с ним оборудования вследствие старения изоляции. Кроме того, повреждения фидеров, включающие в себя повреждения кабеля, могут привести к прекращениям подачи электроэнергии, которые доставляют неудобство затронутым ими потребителям и которые могут дорого стоить для подвергшейся им энергосистемы.

Одной категорией повреждений фидера является категория самоустраняющихся повреждений. Хотя самоустраняющиеся повреждения могут иметь любое количество первопричин, обычно они имеют ограниченную по времени продолжительность, которая является недостаточной для срабатывания соответствующего защитного устройства. На практике, продолжительность большинства самоустраняющихся повреждений обычно меньше чем приблизительно от одного (1) до двух (2) периодов частоты энергетической системы и во многих случаях меньше чем один (1) период.

Один механизм, который может порождать самоустраняющиеся повреждения кабеля, представляет собой временный пробой изоляции между фазами кабеля или между фазой кабеля и землей. Такие повреждения часто вызываются или усиливаются влажностью в кабельном сростке или соединении и обычно характеризуются повышенным током или током повреждения, имеющим продолжительность, составляющую приблизительно от одной четверти до половины периода (то есть примерно от четырех (4) до восьми (8) миллисекунд (мс) в системе с частотой шестьдесят герц (60 Гц)). Возникновение тока повреждения обычно имеет место на пике напряжения или около него, где напряженность электрического поля является самой высокой. По мере ухудшения ситуации частота и серьезность этих повреждений имеют тенденцию ухудшаться с течением времени, что имеет своей кульминацией возможный выход из строя кабеля и проистекающее из этого прекращение подачи электроэнергии.

Для идентификации самоустраняющихся повреждений был разработан аппарат их обнаружения. Например, смотри (i) Kojovic (Коджовик) и другие, Sub-Cycle Overcurrent Protection for Self-Clearing Faults Due to Insulation Breakdown (Защита от сверхтока продолжительностью менее периода при самоустраняющихся повреждениях, вызванных пробоем изоляции) (1999 г.); и (ii) Патент США номер 6198401, выданный Newton (Ньютону) и другим, Detection of Sub-Cycle, Self-Clearing Faults (Обнаружение самоустраняющихся повреждений продолжительностью менее периода), выдан 6 марта 2001 г. На предшествующем уровне техники в устройствах для обнаружения повреждений, таких как те, что указаны выше, неустойчивое повреждение автоматически определяется как самоустраняющееся повреждение, относящееся к типу, связанному с деградацией кабеля. Однако авторы изобретения определили, что такие неустойчивые повреждения не обязательно являются самоустраняющимися повреждениями, свойственными деградации кабеля. В некоторых случаях такие неустойчивые повреждения могут объясняться распространением дуги от другого кабеля или от окружающих или других факторов, которые затрагивают больше чем один кабель.

Кроме того, в традиционных устройствах пользователь должен устанавливать настройки программы вручную и соответствующим образом для надлежащей работы алгоритма. Настройка параметров требуют априорного знания параметров системы, токов нагрузки, а также уровней токов повреждения. Эта проблема может быть решена в случае, когда настройки вводятся с первого раза, а токи повреждения и сетевые нагрузки подлежат частому изменению путем ручного или автоматического переключения и реконфигурации сетей. Когда схема реконфигурируется, настройки алгоритма должны измениться соответствующим образом, для того чтобы отразить самое последнее состояние сети. Изменение параметров «на лету» и в автоматическом режиме не являлось до настоящего времени общей практикой. Благодаря использованию адаптивных настроек алгоритм динамически адаптируется к изменяющейся среде и готовится к правильной работе без вмешательства пользователя.

Наконец, традиционные функции обнаружения повреждений обычно содержатся на уровне защитного реле с постоянной реализацией. Одно следствие этой релецентричной архитектуры заключается в том, что этот аппарат относительно плохо интегрируется в автоматику подстанции (SA-автоматику), автоматику распределительной сети (DA-автоматику), автоматику фидера (FA-автоматику) или другую систему автоматики. Кроме того, этот аппарат требует использования специализированной аппаратной платформы, которая должна быть тесно связана с защитным реле. Кроме того, технологии обнаружения повреждений были относительно бесхитростны и используют мгновенные значения тока повреждения. Хотя это минимизируют время задержки обнаружения, без надлежащего фильтрования эти технологии могут быть подвержены помехам и выбросам (резко выделяющимся значениям), приводящим к досаждающим ложным сигналам тревоги.

Настоящее изобретение относится к способам и аппарату, которые направлены на устранение вышеописанных недостатков способов и аппаратов для обнаружения повреждений, относящихся к предшествующему уровню техники.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предусматривается реализованный на компьютере способ для обнаружения и анализа повреждений в трехфазной фидерной системе, содержащей первый кабель и один или более других кабелей. В соответствии с этим способом определяют величину тока в первом кабеле. Эту величину тока сравнивают с некоторым пороговым уровнем. Если величина тока превышает пороговый уровень, то измеряют то, как долго эта величина тока остается выше порогового уровня. Если продолжительность, в течение которой величина тока остается выше порогового уровня, попадает в пределы заданного временного диапазона, то запускают таймер. После того как таймер отмеряет некоторый заданный интервал времени, производят определение того, обнаружено ли повреждение в одном или более других кабелей. Если в одном или более других кабелей повреждение не обнаружено, то принимается решение, что в фидерной системе произошло однофазное повреждение.

Также в соответствии с настоящим изобретением предусматривается защитное устройство, функционирующее таким образом, чтобы выполнять вышеописанный способ.

Краткое описание чертежей

Признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны при рассмотрении нижеследующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопровождающих их чертежей, на которых:

на фиг.1 показана схема электроэнергетической распределительной системы вместе с системами управления и контроля;

на фиг.2 показана схема интеллектуальной системы подстанции, соединенной с системой защиты;

на фиг.3 показана схема программы обнаружения повреждений, которая хранится в памяти и исполняется в защитном реле защитной системы;

на фиг.4 показана первая часть блок-схемы алгоритма работы программы обнаружения повреждений;

на фиг.5 показана вторая часть этой блок-схемы алгоритма;

на фиг.6 показан график абсолютных величин мгновенных пиковых значений тока для зарождающихся повреждений в контрольный период времени;

на фиг.7 показан график действующих значений токов нагрузки для зарождающихся повреждений в контрольный период времени; и

на фиг.8 показан график абсолютных величин мгновенных пиковых значений токов повреждения, нормализованных по отношению к действующему значению тока нагрузки для зарождающихся повреждений в контрольный период времени.

Осуществление изобретения

Следует отметить, что в нижеследующем подробном описании идентичные компоненты имеют одинаковые ссылочные позиции независимо от того, что они показаны в различных вариантах реализации настоящего изобретения. Следует также отметить, что в целях ясности и краткости раскрытия настоящего изобретения чертежи не обязательно могут быть выполнены в масштабе, и некоторые признаки изобретения могут быть показаны в несколько схематичной форме.

Обратимся теперь к фиг.1, на которой показана энергетическая распределительная система (10), которая включает в себя подстанцию (12) и один или более фидеров (14), которые передают энергию от подстанции до помещений пользователей. Подстанция (12) включает в себя силовые трансформаторы, высоковольтную и низковольтную распределительную аппаратуру, прерыватели, интеллектуальные электронные устройства (IED) подстанции, систему (24) защиты, интеллектуальную систему (16) и связной интерфейс (18). Фидеры (14) включают в себя полевые устройства, такие как воздушные/подземные кабели, распределительные трансформаторы, конденсаторы, автоматы повторного включения, выключатели нагрузки, полевые интеллектуальные устройства и другое оборудование и имущество, которые обычно встречаются в энергетической распределительной системе. В настоящем примере, показанном на фиг.1, фидеры (14) содержат кабели (20), включающие в себя первичные кабели и ответвленные кабели, плавкие предохранители (21) и контроллеры (22) устройств, такие как контроллеры переключателей/автоматов повторного включения.

Фидеры (14) функционально соединены с интеллектуальной системой (16). В зависимости от архитектуры данной системы интеллектуальная система (16) может функционировать в качестве одной или больше систем из числа системы автоматики подстанции, системы автоматики фидера или системы автоматики распределительной сети.

Система (42) диспетчерского управления и сбора данных (SCADA-система) соединяется с сетью (36) связи через соответствующий связной интерфейс (соответствующие связные интерфейсы) (43). Система (42) диспетчерского управления и сбора данных обычно располагается на удалении от подстанции (12) и обеспечивает функции диспетчерского управления для множества подстанций и/или других компонентов энергораспределительной системы.

Интеллектуальная система (16) также может быть соединена с одной или более компьютерными системами (44) предприятия, такими как хранилища данных, киоски данных, системы планирования, географические информационные системы (GIS-системы) или централизованная система управления техническим обслуживанием (CMMS - система), которые аналогичным образом соединены с сетью (36) связи через связной интерфейс (связные интерфейсы) (46).

Как было замечено выше, кабели (20) включают в себя один или более энергокабелей. Энергокабели используются для того, чтобы обеспечивать электрическое соединение между выходом подстанции и входом находящихся ниже (по направлению подачи энергии) первичных сетей. Энергокабели, которые выходят из подстанции (12), иногда именуются выходными кабелями подстанции. В зависимости от места расположения и других соображений некоторые или все кабели (20) могут быть установлены под землей и, таким образом, являются подземными кабелями.

Система (24) защиты обычно включает в себя одно или более защитных реле и связанных с ними прерывателей или автоматов повторного включения. Предпочтительно, чтобы защитные реле были реализованы как устройства на основе интеллектуальных электронных устройств, которые среди прочих функций контролируют напряжение, ток и другие соответствующие параметры связанных с ними кабелей (20), например, для того чтобы обнаруживать различные условия повреждений, такие как те, что вызваны возмущениями по току, напряжению и/или частоте и которые могут или не могут быть вызваны повреждением фидера, включая повреждение кабеля.

Как показано на фиг.2, интеллектуальная система (16) включает в себя базу (26) данных и интеллектуальную программу (28), выполняемую на одном или более компьютерах (30), и интерфейс "человек-машина" (HMI-интерфейс) (34). Связной интерфейс (18) соединяет интеллектуальную систему (16) с сетью (36) связи, которая может включать в себя локальную сеть (LAN-сеть), сеть "Интернет" или другую сеть связи. Интеллектуальная система (16) может поддерживать связь с контроллерами (22) устройств по сети (36) связи с использованием протокола DNP3, протокола РРР, протокола MODBUS или протокола TCP/IP.

Обратимся к фиг.2, на которой показана система (24a) защиты, содержащая защитное реле (48) и связанное с ним управляющее устройство (49), такое как автомат повторного включения или прерыватель. Система (24а) защиты располагается в подстанции, как это показано на фиг.1. В качестве альтернативы, система (24a) защиты может быть расположена на удалении (например, на расстоянии более чем приблизительно четверть мили (около 400 метров)) от интеллектуальной системы (16). Защитное реле (48) представляет собой интеллектуальное электронное устройство и включает в себя микропроцессор или центральный процессор (ЦП) (50), память (52) и интерфейс (54) "человек-машина" (HMI-интерфейс), который может включить в себя экран дисплея и пользовательское устройство ввода, такое как клавиатура. Защитное реле (48) соединено с трансформаторами (56a, b, c) тока и с трансформаторами (58a, b, c) напряжения, которые измеряют токи и напряжения, соответственно, в трех кабелях (20a, b, c), несущих, соответственно, три фазы электрической энергии. Защитное реле (48) соединено с управляющим устройством (49) и подает ему управляющие сигналы. Защитное реле (48) также соединено с интеллектуальной системой (16) через сеть (36) связи и связной интерфейс (18). Защитное реле (48) имеет множество элементов мгновенного действия, элементов с независимой выдержкой времени и элементов максимального тока с обратнозависимой выдержкой времени, (фазных, нейтральных, заземления/чувствительных заземления и обратной последовательности).

Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных (ADDC-программа) хранится в памяти (52) и исполняется центральным процессором (50). Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных принимает данные, вводимые пользователем через интерфейс (54) "человек-машина". Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных контролирует токи и напряжения в кабелях (20), измеренные, соответственно, трансформаторами (56) тока и трансформаторами (58) напряжения. Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных также контролирует работу управляющего устройства (49) и может контролировать информацию, принимаемую защитным реле (48) от других полевых устройств, включающих в себя другие трансформаторы тока и напряжения и другие защитные реле. Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных функционирует таким образом, чтобы обнаруживать повреждения или аномалии, основываясь на выбираемых пользователем критериях, которые могут быть введены в программу (60) обнаружения аномалии и сбора данных через интерфейс (54) "человек-машина". В одном варианте реализации настоящего изобретения программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных функционирует таким образом, чтобы обнаруживать три различных типа аномалий: всплески сверхтоков, отклонения напряжения и срабатывания элементов максимального тока.

Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных обнаруживает "всплески" сверхтоков, которые длятся меньше, чем программируемое настроенное пороговое значение времени (в миллисекундах или периодах). Например, пользователь может установить пороговое значение составляющим приблизительно один период (приблизительно 16 миллисекунд). Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных может обнаруживать всплеск сверхтока, используя показания выбранного элемента максимальной токовой защиты, входящего в состав защитного реле (48), который сам имеет программируемые настройки. Пользователь может выбрать конкретный элемент максимальной токовой защиты через интерфейс (54) "человек-машина". Например, программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных может для использования при обнаружении всплеска сверхтока выбрать из состава защитного реле (48) элемент мгновенной максимальной токовой защиты во время замыкания на землю. Когда используется такой элемент максимальной токовой защиты, пороговое значение устанавливается составляющим некоторый программируемый процент (например, 50%) от уставки срабатывания выбранного элемента максимальной токовой защиты.

Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных обнаруживает отклонения напряжения, превышающие некоторое программируемое пороговое значение в процентах (например, 10%) от уставки номинального напряжения, которые длятся дольше, чем некоторая программируемая уставка порогового значения времени (в периодах). Это пороговое значение в процентах и пороговое значение времени могут быть установлены пользователем через интерфейс (54) "человек-машина".

Программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных обнаруживает любое срабатывание любого из одного или более элементов максимальной токовой защиты.

После обнаружения аномалии такой как всплеск сверхтока, программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных собирает данные цифровой записи повреждений (DFR-данные), такие как напряжение, ток и другие осциллографические данные для программируемого промежутка времени сбора данных и устанавливает DFR-признак, указывающий на возникновение аномалии. Как правило, программа (60) обнаружения аномалии и сбора данных берет отсчеты напряжения и/или тока с частотой взятия отсчетов, составляющей 32 или более отсчетов за период (приблизительно 16 миллисекунд). DFR-данные сформатированы для передачи в известном общем формате для обмена переменными данными (COMTRADE) или другом подходящем формате файла и затем передаются интеллектуальной системе (16) по системе (36) связи. В зависимости от природы и серьезности этой аномалии защитное реле (48) может также выключить связанное с ним управляющее устройство (49). Промежуток времени сбора, в течение которого собираются DFR-данные, устанавливается пользователем через интерфейс (54) "человек-машина". Этот промежуток времени сбора может, в порядке примера, превышать один период. Например, промежуток времени сбора может составлять пять, десять или пятнадцать периодов, или некоторый другой промежуток времени.

Программа (64) обнаружения повреждений работает последовательно или параллельно с программой (60) обнаружения аномалии и сбора данных, что зависит от того, где установлена и работает программа (64) обнаружения повреждения. В связи с этим программа (64) обнаружения повреждений может храниться в памяти (52) и исполняться центральным процессором (50) защитного реле (48), или программа (64) обнаружения повреждений может храниться в памяти компьютера и исполняться одним или более компьютерами (30) в интеллектуальной системе (16). В первом случае программа (64) обнаружения повреждений выполняется параллельно с программой (60) обнаружения аномалии и сбора данных в режиме реального времени. В последнем случае программа (64) обнаружения повреждений выполняется последовательно с программой (60) обнаружения аномалии и сбора данных и оперирует DFR-данными, переданными программой (60) обнаружения аномалии и сбора данных в интеллектуальную систему (16). Программа (64) обнаружения повреждений принимает данные, вводимые пользователем через интерфейс (54) "человек-машина" или через интерфейс (34) "человек-машина", в зависимости от того, где располагается программа (64) обнаружения повреждений.

Еще одна другая возможность заключается в том, что программа (64) обнаружения повреждений хранится и исполняется интеллектуальным электронным устройством, которое является отдельным от защитного реле (48), но поддерживает с ним связь. Такого рода интеллектуальное электронное устройство может быть расположено в подстанции (12) или может быть расположено на удалении от подстанции (12). Такого рода интеллектуальное электронное устройство может также поддерживать связь с интеллектуальной системой (16) или системой (24) защиты.

Вообще программа (64) обнаружения повреждений включает в себя модуль (66) анализа и модуль (68) решения, как это показано на фиг.3.

Модуль (66) анализа включает в себя три модуля (70a, b, c) дискретного преобразования Фурье (ДПФ), по одному для каждой фазы электроэнергии, передаваемой кабелями (20a, b, c). Каждый модуль (70) дискретного преобразования Фурье принимает отсчеты тока, измеренные трансформатором (56) тока, связанным с этим модулем дискретного преобразования Фурье. Если программа (64) обнаружения повреждений располагается в интеллектуальной системе (16), то отсчеты тока получаются из DFR-данных. Каждый четвертый отсчет модуль (70) дискретного преобразования Фурье имеет прерывание, при котором предшествующие три отсчета и четвертый отсчет сохраняются в циклическом буфере, имеющем емкость для хранения самых последних шестнадцати отсчетов тока. При каждом прерывании модуль (70) дискретного преобразования Фурье вычисляет дискретное преобразование Фурье для полупериода, используя последние четыре отсчета тока плюс предшествующие двенадцать отсчетов тока, хранящихся в циклическом буфере. Полупериод составляет приблизительно 8 миллисекунд для частоты электросети 60 Гц. Модуль (70) дискретного преобразования Фурье имеет два выхода, estimateReal (оценка действительной части) и estimateImag (оценка мнимой части), корреспондирующие, соответственно, действительной и мнимой частям дискретного преобразования Фурье.

Каждый модуль (70) дискретного преобразования Фурье соединен с модулем (72) величины, который принимает выходные значения из модуля (70) дискретного преобразования Фурье и использует их для вычисления величины тока на основной частоте электросети (например, 60 Гц), которая в дальнейшем именуется как ДПФ-величина. ДПФ-величина хранится в буфере массива и передается к подмодулю (74), который контролирует ДПФ-величину.

Каждый подмодуль (74) имеет счетчик событий и счетчик повреждений. При каждом прерывании, если ДПФ-величина превышает некоторый максимальный уровень тока, то счетчик событий получает приращение на единицу. Счетчик событий продолжает получать приращения до тех пор, пока величина тока не упадет ниже этого максимального уровня тока, при этом счетчик сбрасывается. Когда величина тока действительно падает ниже предварительно заданного уровня тока, подмодуль (74) определяет, имело ли место повреждение. Если значение этого счетчика находится в пределах диапазона, определенного некоторым нижним уровнем и некоторым верхним уровнем, то подмодуль (74) определяет, что имело место повреждение. В одном варианте реализации изобретения нижний уровень составляет два (четверть периода), а верхний уровень составляет сорок (5 периодов). Нижний уровень и верхний уровень могут быть изменены пользователем через интерфейс (34) или (54) "человек-машина". Если подмодуль (74) определяет, что имело место повреждение, то подмодуль (74) дает приращение счетчику повреждений, который подсчитывает то количество раз, сколько раз имело место повреждение. Значения sc-a, sc-b и sc-c счетчиков повреждений в подмодулях (74a, b, c) выводятся в модуль (68) решения.

В каждом подмодуле (74) максимальный уровень тока, который используется для определения того, имело ли место повреждение, определяется на основе того, работает ли подмодуль (74) в постоянном режиме или адаптивном режиме, выбор которых может быть сделан пользователем через интерфейс (34) или (54) "человек-машина".

В постоянном режиме максимальный уровень тока устанавливается равным некоторому постоянному или заранее заданному пороговому значению, которое вводится (выбирается) пользователем через интерфейс (34) или (54) "человек-машина".

В адаптивном режиме максимальный уровень тока устанавливается равным некоторому адаптивному пороговому значению, который представляет собой либо кратное среднего значения ДПФ-величины (для фазы, связанной с этим подмодулем (74)) на предварительно заданном количестве предшествующих периодов (переменного тока) электросети, или, если имеется граничное условие, то некоторому постоянному минимальному значению. Граничное условие может иметь место в случае, когда кабели (20) только начинают передавать ток, как, например, в случае нарастания нагрузки или другой ситуации броска тока. Постоянное минимальное значение вводится пользователем через интерфейс (34) или (54) "человек-машина" и может соответствовать, или быть равным, абсолютной минимальной нагрузке фидера, частью которого являются кабели (20). Предварительно заданное количество предшествующих периодов, используемое для вычисления средней ДПФ-величины, может составлять два, три, четыре или пять или больше предшествующих периодов. В одном варианте реализации изобретения это предварительно заданное количество составляет три. Кратное, используемое для вычисления максимального уровня тока исходя из средней ДПФ-величины, может находиться в диапазоне от 1,5 до 3, более конкретно - от 1,5 до 2,5, еще более конкретно -составлять два (раза).

Модуль (68) решения получает значения sc-a, sc-b и sc-c от счетчиков в подмодулях (74a, b, c). Если модуль (68) решения обнаруживает изменение значения в одном из значений sc-a, sc-b и sc-c, по сравнению с последним прерыванием, то модуль (68) решения определяет, что в фазе, соответствующей измененному значению, только что имело место повреждение и делает выходное значение SCFDDetect высоким (булевой единицей). В дополнение к этому запускается таймер. После того как таймер отмеряет предварительно заданный промежуток времени (который может составлять один период или 16 миллисекунд), модуль (68) решения определяет, имели ли место в течение этого предварительно заданного промежутка времени повреждения в других двух фазах (согласно тому, что определено соответствующими подмодулями (74)). Другими словами, модуль (68) решения определяет, имеют ли место изменения значений других двух значений из числа sc-a, sc-b и sc-c. Если повреждения имели место в одной или обеих из этих других двух фаз, то модуль (68) решения определяет, что повреждение является многофазным повреждением, а не однофазным повреждением. Модуль (68) решения в таком случае делает выходное значение EventDetect-multiphase (Обнаружение события - многофазного) высоким. Если, однако, ни в одной из этих других двух фаз повреждения не имели место, то модуль (68) решения определяет, что повреждение является однофазным повреждением. Модуль (68) решения в таком случае повышает выходное значение DetectedFault-(a, b или c) (Обнаруженное повреждение - (a, b или c)) для кабеля (20) для той фазы, в которой обнаружено повреждение. В дополнение к этому, модуль (68) решения дает приращение счетчику повреждений для этой фазы (кабеля (20)), который ведет последовательный подсчет того количества раз, сколько раз в фазе (кабеле (20)) обнаружено однофазное повреждение. Значения счетчиков выводятся как SC-a, SC-b, SC-с.

Обратимся теперь к фиг.4 и 5, на которых показана блок-схема алгоритма программы (64) обнаружения повреждения. На этапе 100 программа (64) начинается. На этапе 102 программа (64) считывает настраиваемые параметры, введенные пользователем через интерфейс (34) или (54) "человек-машина" (такие как, работает ли подмодуль (74) в постоянном режиме или адаптивном режиме). На этапе 104 циклический буфер заполняется значениями отсчетов тока и вычисляется их дискретное преобразование Фурье для каждой фазы. Если на этапе 105 определено, что пороговое значение уже определено (как постоянное или вычисленное), то программа (64) переходит на этап 114. В ином случае, она переходит на этап 106, на котором производится определение того, имеются ли данные по трем периодам. Если имеются данные по трем периодам, то программа (64) переходит на этап 108, тогда как, если данных по трем периодам не имеется, то программа (64) возвращается на этап 104, чтобы вычислить больше значений ДПФ-величины для циклического буфера. На этапе 108 производится определение того, какой режим работы был выбран для подмодуля (74). Если определено, что был выбран адаптивный режим, то программа (64) переходит на этап 110, на котором вычисляется адаптивное пороговое значение. На этапе 112 производится определение того, превышает ли это адаптивное пороговое значение постоянное минимальное значение, и если это так, то программа (64) переходит на этап 114. Если адаптивный порог не превышает постоянное минимальное значение, то адаптивное пороговое значение корректируется на этапе 116 таким образом, чтобы иметь значение, большее чем или равное постоянному минимальному значению. От этапа 116 программа (64) переходит на этап 114. Если на этапе 108 определено, что был выбран постоянный режим, то программа переходит на этап 120, на котором программой (64) считывается значение этого постоянного порогового значения. На этапе 114 производится определение того, превышает ли ДПФ-величина для полупериода пороговое значение (адаптивное или постоянное). Если ДПФ-величина для полупериода превышает это пороговое значение, то на этапе 122 измеряется время, в течение которое оно его превышает (продолжительность этого). Если ДПФ-величина для полупериода не превышает это пороговое значение, то программа (64) возвращается на этап 102. От этапа 122 программа (64) переходит на этап 124, на котором производится определение того, был ли удовлетворен критерий продолжительности. Если критерий продолжительности удовлетворен не был, то программа (64) сначала переходит на этап 128, на котором сообщается о событии срабатывания, не связанного с повреждением, и затем продолжает возврат на этап 136. Если критерий продолжительности был удовлетворен, то программа (64) переходит на этап 126 и производится определение того, затронуты ли множественные фазы. Если множественные фазы не затронуты, то событие определяется как однофазное повреждение и на этапе 132 о нем сообщается как о таковом. Программа (64) затем переходит на этап 134, на котором производится обновление (приращения на единицу) счетчика повреждений в модуле (68) решения для соответствующей фазы (кабеля). Если на этапе 126 определено, что затронуты множественные фазы, то событие определяется как многофазное повреждение и на этапе 130 о нем сообщается как о таковом. От этапа 130 или этапа 134 программа (64) переходит на этап возврата 136, который приводит к тому, что программа (64) возвращается на этап (100).

Если программа (64) располагается в защитном реле (48), то выходные значения из модуля (68) решения (например, EventDetect-multiphase, DetectedFault-(a, b, c) и SC-a, SC-b и SC-c) передаются в интеллектуальную систему (16) на подстанции (12) по сети (36) связи. В интеллектуальной системе (16) принятым данным может быть присвоена временная метка со временем и датой приема и затем они могут быть сохранены в базе (26) данных.

Если программа (64) располагается в интеллектуальной системе (16), программа (64) непосредственно сопрягается с интеллектуальной программой (28) или является ее частью.

Выходные значения из модуля (68) решения анализируются интеллектуальной программой (28) с целью определения природы вновь обнаруженного однофазного повреждения. В этом отношении, было определено, что обнаруженное однофазное повреждение может объясняться самоустраняющимся повреждением в одном из кабелей (20a, b, c); перегоревшим плавким предохранителем (21) в фидере (14) или приведением в действие устройства, отключающего повреждение, такого как автомат повторного включения, контроллером (22) устройства (интеллектуальным электронным устройством), расположенным на удалении от подстанции (12). Если (в пределах некоторого предварительно заданного промежутка времени от обнаружения однофазного повреждения) интеллектуальная программа (28) принимает по сети (36) связи уведомление о том, что один или более потребителей или приборы коммерческого учета (электроэнергии) сообщили о прекращении подачи электроэнергии, но не приняла никакого уведомления о том, что дистанционный контроллер (22) устройства привел в действие автомат повторного включения или переключатель, то интеллектуальная программа (28) определит, что вновь обнаруженное однофазное повреждение объясняется перегоравшим плавким предохранителем (21). Если (в пределах некоторого предварительно заданного промежутка времени от обнаружения однофазного повреждения) интеллектуальная программа (28) принимает по сети (36) связи уведомление о том, что дистанционный контроллер (22) устройства привел в действие устройство, отключающее повреждение, такое как автомат повторного включения, то интеллектуальная программа (28) определит, что вновь обнаруженное однофазное повреждение объясняется работой дистанционного контроллера (22) устройств. Если (в пределах некоторого предварительно заданного промежутка времени от обнаружения однофазного повреждения) интеллектуальная программа (28) не принимает никакого уведомления о прекращении подачи электроэнергии или работе дистанционного контроллера (22) устройства, то интеллектуальная программа (28) определит, что вновь обнаруженное однофазное повреждение объясняется самоустраняющимся повреждением в одном из кабелей (20a, b, c). Обнаружение однофазного повреждения программой (64), равно как и последующий анализ и требуемое уведомление оператора, выполняемое интеллектуальной программой (28), происходит в режиме реального времени или почти реального времени, независимо от того, располагается ли эта программа в защитном реле (48), в интеллектуальной системе (16) или в другом интеллектуальном электронном устройстве.

Если определено, что однофазное повреждение является самоустраняющимся повреждением, то интеллектуальная программа (28) определит, приводит ли это самоустраняющееся повреждение к превышению порогового значения тревоги. Такое определение может учитывать частоту самоустраняющихся повреждений в кабеле (20), текущие и исторические климатические условия, зарегистрированные на подстанции (12), и текущие и исторические нагрузки кабеля (20). В этом отношении, авторы изобретения установили на типичной распределительной подстанции систему сбора данных для того, чтобы фиксировать и собирать осциллографические данные по напряжению и току с подземного распределительного фидера на уровне подстанции. Собранные данные были пароанализированы для того, чтобы определить характеристики класса зарождающихся повреждений в кабеле, обычно именуемых самоустраняющимися повреждениями. Эти характеристики могут быть использованы как симптомы для того, чтобы подтвердить повторяющуюся природу повреждения и определить пороговые значения тревоги, используемые интеллектуальной программой (28) для уведомления операторов и технического обслуживающего персонала.

Система сбора данных была аналогична той, что показана и описана выше. Данные собирались в течение промежутка времени, составлявшего 10 месяцев, в течение этого времени было зарегистрировано в общей сложности 141 событие зарождающихся повреждений кабеля, прежде чем произошел катастрофический отказ, в результате которого перегорал плавкий предохранитель (65 A). Между первым происшествием и катастрофическим отказом были аналогичные случаи зарождающихся повреждений со всплесками тока, изменяющимися по величине между 1000 A и 3000 A как с положительной, так и с отрицательной полярностью. Ни одно из этих событий не оставило следа в данных о перебоях в работе, равно как и не приводило ни к какому прерыванию энергоснабжения потребителя.

Были выполнены временной и частотный анализ собранных данных. Временной анализ включал в себя вычисление мгновенного пикового значения тока повреждения для каждого события и вычисление действующего значения тока нагрузки путем взятия среднего от действующего значения тока в первых двух циклах окна события. Затем мгновенное пиковое значение тока повреждения сравнивалось с действующим значением тока нагрузки, и также выполнялась корреляция между этими двумя значениями данных. Другим значением, вычисляемым во временной области, являлась продолжительность зарождающегося отказа.

Частотный анализ выполнялся посредством применения быстрого преобразования Фурье (БПФ) на периоде тока повреждения. Это давало вид гармоник, имевшихся в цикле повреждения в рассматриваемом окне события. Основная причина вычисления гармоник состояла в том, чтобы исследовать среди всех гармоник доминирующую гармонику, и также в том, чтобы сравнить величины четных и нечетных гармоник. Доминирующая гармоника может быть использована в качестве параметра-симптома для выполнения предупреждающего технического обслуживания.

На фиг.6 показан график абсолютных величин мгновенных пиковых значений тока для зарождающихся повреждений в контрольный промежуток времени. Как показано на графике, абсолютный пик зарождающихся повреждений имел глобальное максимальное значение 2798 A, глобальное минимальное значение 1087 A и среднее значение 1720 A. Было 83 отрицательных пика и 63 положительных пика, притом что глобальное максимальное значение для положительного и отрицательного пика являлось почти одним и тем же: 2798 A для положительного и 2781 A для отрицательного пиков. Это указывает, что полярность не является существенным определяющим фактором для возникновения повреждения.

Действующее значение тока нагрузки вычислялось путем взятия средних значений по первым двум периодам. Это действующее значение учитывает все гармоники и является истинным действующим значением тока нагрузки. График действующих значений токов нагрузки для зарождающихся повреждений в контрольный промежуток времени показан на фиг.7. При рассмотрении графиков на фиг.6 и 7 очевидно, что мгновенные пиковые значения токов повреждений являются весьма высокими, превышая, по меньшей мере, в пять раз действующее значение тока нагрузки.

Была вычислена функция взаимной корреляции между мгновенным пиковым значением тока повреждения и действующим значением тока нагрузка. Было обнаружено, что эта функция достигает максимума при значении показателя, составляющем 146, которое равно количеству зарегистрированных значений (141 повреждение, пять из которых были двойными всплесками). Это подразумевает, что эти две последовательности данных коррелируются с величиной запаздывания, составляющей ноль. Поэтому была выполнена нормализация мгновенного пикового значения тока повреждения по отношению к действующему значению тока нагрузки. Был построен график (показанный на фиг.8) абсолютных величин мгновенных пиковых значений токов повреждения, нормализованных по отношению к действующему значению тока нагрузки для зарождающихся повреждений в период сбора данных. Этот график показывает, что имеется постепенное увеличение нормализованных пиковых значений тока. Нормализованное пиковое значение к концу контрольного периода увеличивается до почти трехкратного своего начального значения. Это наблюдение указывает, что целостность кабельного сростка все больше ухудшается с каждым случаем повторно происходящего зарождающегося повреждения и искрения.

Нечетные (3-я, 5-я, 7-я и 9-я) и четные (0-я, 2-я, 4-я, 6-я и 8-я) гармоники тока были нормализованы по отношению к основному значению тока в периоде повреждения. Из этой нормализации было очевидно, что вторая гармоника составляла почти 70% основной и доминирующей гармоники. В дополнение к этому, четные гармоники были относительно более высокими по сравнению с нечетными гармониками. Одна из основных причин для этих наблюдений заключается в том, что быстрое преобразование Фурье выполнялось на периоде, содержащем всплеск тока повреждения.

Доминирующие гармоники тока (0-я, 2-я и 3-я) и основная составляющая были нормализованы по отношению к действующему значению тока нагрузки, показанному на фиг.7. Эти гармоники тока были доминирующими в периоде повреждения, как были отмечено ранее, и демонстрируют тенденцию к росту, аналогичную нормализованному пиковому значению тока, показанному на фиг.8. Представляется, что они имеют положительную корреляцию с отказом, и даже притом, что они не являются однозначными для этих отказов, они могут использоваться как параметры-симптомы для предупреждающего технического обслуживания.

Короче говоря, изобретатели заметили, что повреждения обычно происходят тогда, когда градиент напряжения имеет пиковое значение; мгновенное пиковое значение тока повреждения может достигать высоких значений, таких как пятикратное действующее значение тока нагрузки; продолжительность повреждения обычно меньше, чем полупериод; целостность кабельного сростка еще больше ухудшается с каждым случаем повторно происходящего зарождающегося повреждения и искрения; время между последующими событиями или интервалы времени между поступлениями сообщений демонстрируют периоды затишья изменяющейся величины и продолжительности, иллюстрируя, таким образом, пульсирующее и прерывистое и поведение этих типов повреждений; и доминирующие гармоники тока, как было обнаружено, являлись 0-й, 2-й и 3-й в периоде повреждения, демонстрируя тенденцию к росту, аналогичную этой тенденции нормализованного пикового значения тока.

Как было сказано выше, вышеприведенная информация может быть использована для того, чтобы определять пороговые значения тревоги, используемые интеллектуальной программой (28) для уведомления операторов и технического обслуживающего персонала. Например, сигнал тревоги может быть сгенерирован для повреждения (происходящего после одного или более предшествующих повреждений), если абсолютная величина мгновенного пикового значения тока повреждения, нормализованного по отношению к действующему значению тока нагрузки, превышает свое двухкратное или двух с половиной кратное значение при начальном повреждении из числа предшествующих повреждений (предшествующего повреждения). Этот сигнал тревоги может указывать на то, что катастрофический отказ кабеля неизбежен, и необходимо срочно принять исправляющие меры.

Следует понимать, что описание предшествующего приводимого в качестве примера варианта (предшествующих приводимых в качестве примеров вариантов) реализации изобретения предназначено(ы) служить только иллюстрацией, а не исчерпывающим описанием настоящего изобретения. Специалисты обычного уровня квалификации в данной области техники смогут произвести определенные добавления, удаления и/или изменения в варианте (вариантах) реализации раскрытого предмета изобретения, не выходя при этом за рамки сущности изобретения или его объема, которые определены прилагаемой формулой изобретения. Например, в модуле (66) анализа предполагается использование разнообразных различных алгоритмов преобразования Фурье. Согласно одному такому альтернативному варианту дискретное преобразование Фурье может быть осуществлено с использованием соответствующего алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Предложены способ для адаптивного обнаружения повреждений и защитное устройство для его осуществления. Способ предназначен для обнаружения и анализа повреждений в первом кабеле и, по меньшей мере, одном другом кабеле, передающих электроэнергию в трехфазных фидерных системах. Величина тока в первом кабеле сравнивается с пороговым уровнем. Если величина тока превышает пороговый уровень, то измеряется продолжительность этого состояния. Если продолжительность попадает в пределы заданного временного диапазона, то после некоторого заданного интервала времени производят определение того, обнаружено ли повреждение в указанном, по меньшей мере, одном другом кабеле. Если повреждение, по меньшей мере, в одном другом кабеле не обнаружено, то принимается решение, что в фидерной системе произошло однофазное повреждение. Технический результат - повышение надежности защиты и исключение ложных срабатываний. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ обнаружения и анализа повреждений в трехфазной фидерной системе, реализуемый на компьютере, причем фидерная система содержит первый кабель и, по меньшей мере, один другой кабель, включающий этапы, на которых: определяют величину тока в первом кабеле;
сравнивают величину тока с пороговым уровнем; если величина тока превышает пороговый уровень, то измеряют продолжительность превышения тока над пороговым уровнем; если продолжительность, в течение которой величина тока остается выше порогового уровня, попадает в пределы заданного временного диапазона, то запускают таймер; после того, как таймер отмеряет заданный интервал времени, определяют, обнаружено ли повреждение в указанном, по меньшей мере, одном другом кабеле; и если в указанном, по меньшей мере, одном другом кабеле повреждение не обнаружено, то определяют, что в фидерной системе произошло однофазное повреждение, при этом пороговый уровень является большим значением из двух значений: постоянного минимального значения и адаптивного значения, вычисленного исходя из среднего значения предшествующих величин тока.

2. Способ по п.1, в котором, если в указанном, по меньшей мере, одном другом кабеле повреждение обнаружено, то определяют, что в кабелях произошло многофазное повреждение.

3. Способ по п.1, в котором величину тока определяют на номинальной частоте электросети.

4. Способ по п.3, в котором величину тока определяют путем выполнения преобразования Фурье на полупериоде измерений тока в движущемся окне, снятых с первого кабеля.

5. Способ по п.4, дополнительно содержащий этап, на котором принимают цифровые данные регистрации повреждений от расположенного на удалении защитного реле, причем цифровые данные регистрации повреждений включают в себя измерения тока с первого кабеля.

6. Способ по п.1, в котором пороговый уровень представляет собой заданное значение.

7. Способ по п.6, дополнительно содержащий этап, на котором принимают указанное заданное значение от пользователя через пользовательский интерфейс.

8. Способ по п.1, в котором пороговый уровень вычисляют исходя из среднего значения предшествующих величин тока.

9. Способ по п.8, в котором пороговый уровень представляет собой кратное среднего значения предшествующих величин токов за более чем один предшествующий период на частоте электросети.

10. Способ по п.1, в котором указанный заданный временной диапазон составляет от около четверти периода на номинальной частоте электросети до около пяти периодов на номинальной частоте.

11. Способ по п.10, в котором указанный заданный интервал времени составляет около одного периода на номинальной частоте.

12. Способ по п.1, в котором на этапе определения того, обнаружено ли повреждение, по меньшей мере, в одном другом кабеле, для каждого другого кабеля:
определяют величину тока в указанном другом кабеле;
сравнивают величину тока в указанном другом кабеле с другим пороговым уровнем; и
если величина тока в указанном другом кабеле превышает указанный другой пороговый уровень, то измеряют продолжительность превышения тока над указанным другим пороговым уровнем; а
если продолжительность, в течение которой величина тока превышает указанный другой пороговый уровень, попадает в пределы другого заданного временного диапазона, то определяют, что произошло повреждение.

13. Способ по п.12, в котором указанный пороговый уровень и указанный другой пороговый уровень или указанные другие пороговые уровни представляют собой предварительно заданные значения, причем указанные предварительно заданные значения принимают от пользователя через пользовательский интерфейс.

14. Способ по п.13, в котором каждый из пороговых значений вычисляют на основе средних значений предшествующих величин тока соответственно в первом кабеле и указанном, по меньшей мере, одном другом кабеле.

15. Защитное устройство для контроля мощности, передаваемой первым кабелем и, по меньшей мере, одним другим кабелем, содержащее процессор и память, хранящую программу обнаружения повреждений, которая при ее исполнении процессором выполняет способ обнаружения и анализа повреждений в трехфазной фидерной системе, содержащей первый кабель и, по меньшей мере, один другой кабель, включающий этапы, на которых: определяют величину тока в первом кабеле;
сравнивают величину тока с пороговым уровнем; если величина тока превышает пороговый уровень, то измеряют продолжительность превышения тока над пороговым уровнем; если продолжительность превышения тока над пороговым уровнем попадает в пределы заданного временного диапазона, то запускают таймер; после того, как таймер отмеряет заданный интервал времени, определяют, обнаружено ли повреждение в указанном одном другом кабеле; и если в указанном одном другом кабеле повреждение не обнаружено, то определяют, что в фидерной системе произошло однофазное повреждение, при этом пороговый уровень является большим значением из двух значений: постоянного минимального значения и адаптивного значения, вычисленного исходя из среднего значения предшествующих величин тока.

16. Защитное устройство по п.15, в котором величина тока определяется путем выполнения преобразования Фурье для измерений тока с первого кабеля.

17. Защитное устройство по п.15, дополнительно содержащее пользовательский интерфейс, причем пороговый уровень представляет собой заданное значение, принимаемое от пользователя через пользовательский интерфейс.

18. Защитное устройство по п.15, в котором пороговый уровень вычисляется на основе среднего значения предшествующих величин тока.

19. Защитное устройство по п.15, в котором заданный временной диапазон составляет от около четверти периода на номинальной частоте электросети до около пяти периодов на этой номинальной частоте.

20. Защитное устройство по п.19, в котором заданный интервал времени составляет около одного периода на номинальной частоте.

21. Защитное устройство по п.20, дополнительно содержащее защитное реле.