СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА Российский патент 2016 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите и автоматике (РЗА) электрических систем.

В связи с переходом РЗА на микропроцессорную технику появились возможности значительного повышения интеллекта релейной защиты. Одно из направлений интеллектуализации связано с обучением релейной защиты. Известны способы релейной защиты, где обучение является существенным техническим признаком [1-5]. Обучение проводится с учителем, в роли которого выступает имитационная модель защищаемого объекта, воспроизводящая его режимы. Модель может модифицироваться применительно к типу режима. Принципиально различают два типа: контролируемые режимы (α-режимы), на которые защите надлежит реагировать, и альтернативные им режимы (β-режимы), при которых срабатывание защиты категорически запрещено. Например, в случае дистанционной защиты линии электропередачи к контролируемым режимам относятся короткие замыкания в зоне защиты, а к альтернативным - замыкания вне зоны, замыкания "за спиной", а также все неаварийные режимы.

В [1-5] представлена технология обучения релейной защиты. Различные подходы к обучению защиты обобщены в способе дистанционной защиты линии электропередачи [6]. В нем используются имитационные модели объекта в контролируемых и альтернативных режимах. Операции преобразования входных величин, поступающих от реального объекта при эксплуатации защиты или же от имитационных моделей при ее обучении, совпадают во всем, кроме одного - принятия решения. Защита с заданной характеристикой срабатывает, если замер отобразится в области, которая охвачена характеристикой. Обучаемая защита отображает замеры во всевозможных режимах и тем самым задает область срабатывания для работы на объекте.

Данный способ, как и его предшественники, нацелен на повышение чувствительности защиты при обеспечении селективности, т.е. гарантировании несрабатывания в альтернативных режимах. Задача повышения быстродействия (уменьшения времени срабатывания) защиты не ставилась. Между тем, эта задача становится все более злободневной по целому ряду причин. Сюда относится рост уровня токов короткого замыкания в электрических системах, что создает проблему для выключателей и приводит к быстрому насыщению трансформаторов тока, лишая релейную защиту достоверной информации.

Цель изобретения - повышение быстродействия способа релейной защиты, основанного на ее обучении с использованием имитационных моделей в контролируемых режимах короткого замыкания и иных режимах, альтернативных контролируемым. Как и прототип, предлагаемый способ ориентирован на применение цифровой обработки наблюдаемых величин, а именно на фиксацию их отсчетов с разграничением процессов до и после короткого замыкания. Аварийный режим наблюдается с начального, т.е. первого после замыкания, дискретного момента времени. Далее окно наблюдения режима короткого замыкания расширяется вплоть до времени ликвидации аварии. Совокупность отсчетов, взятых на окне наблюдения, преобразуют в замер релейной защиты. На стадии обучения обрабатывают отсчеты электрических величин, генерируемых имитационными моделями объекта. Формируемые при этом замеры отображаются на плоскости, если замеры представляют собой, как это имеет место в релейной защите, комплексные или двумерные вещественные сигналы. По отображению множества замеров определяют характеристику срабатывания защиты.

Для достижения поставленной цели известная последовательность операций дополнена новыми, реализующими идею непрерывного обучения релейной защиты. Обучение предлагается проводить на каждом шаге наблюдения режима короткого замыкания, начиная со второго, когда каждая величина аварийного режима представлена двумя отсчетами, и для каждого шага наблюдения определять собственные характеристики срабатывания защиты. Тот признак, что число отсчетов, с которого начинается обучение, равно двум, не случаен. Объясняется тем, что замеры релейной защиты в большинстве случаев удобно представлять в виде комплексных сигналов. Отсчеты электрических величин преобразуются в комплексные сигналы фильтрами ортогональных составляющих; фильтру минимального, а именно первого, порядка требуются для формирования выходного комплекса два отсчета выходной величины. Фильтру n-го порядка требуется (n+1) отсчет.

Для конкретной реализации предлагаемого способа непрерывного обучения релейной защиты подготовлен универсальный фильтр ортогональных составляющих, действующий на каждом шаге наблюдения. Оказалось, что именно такой фильтр отвечает требованию непрерывного пошагового действия.

На фиг. 1 приведена имитационная модель энергообъекта - линия электропередачи с двусторонним питанием. На фиг. 2 - структурная схема, реализующая предлагаемый способ. На фиг. 3 - пример семейства характеристик срабатывания защиты, обученной реагировать на текущий замер.

Моделируемая линия электропередачи 1 связывает системы 2 и 3. Модель линии разделена на 3 участка: защищаемую зону 4 протяженностью l_з, участок 5 за пределами зоны протяженностью (l-l_з) и участок 6 до начала зоны. Дистанционная защита наблюдает линию в начале зоны. В данной модели могут быть воспроизведены все типы режимов работы электропередачи. Индексом α отмечены замыкания в зоне; - координата места замыкания; - переходное сопротивление. Защита 7 предназначена для устранения α-режимов. Индексом β отмечены замыкания, на которые защите реагировать запрещено; β1 - замыкания за пределами зоны, β2 - до начала зоны («за спиной»). Координата x введена для линии, начиная от места установки защиты 7. Координата y - для участка 6. Регистрируют ток i(t) и напряжение u(t) в месте установки защиты. Отсчет времени t ведется от момента короткого замыкания вне зависимости от того, на каком из участков линии это произошло. Переходные сопротивления изображены пунктиром, так как замыкание предполагается на одном из участков.

В структурной реализации предлагаемого способа предусмотрены аналого-цифровые преобразователи 8 и 9, на входы которых подают аналоговые величины i(t), u(t), а на выходе получают дискретные величины i(k), u(k). Дискретизация представляет собой операцию определения целой части

где τ=Τ/Ν - интервал дискретизации, Т - период частоты сети, N - число отсчетов на периоде, Δt∈(0, τ) - расхождение во времени момента короткого замыкания t=0 и момента взятия первого после этого события отсчета k=0. Общее число отсчетов n определяется на окне наблюдения режима короткого замыкания, начиная от k=0. Таким образом, в окно наблюдения входят отсчеты при . Преобразователи 10, 11 фиксируют отсчеты величины i(k), u(k) на окне наблюдения и формируют из них промежуточные величины, например комплексы тока и напряжения I(n), U(n). Начиная со второго шага, т.е. с n=2, промежуточные величины играют роль текущих сигналов, из которых формирователь замера 12 создает текущий замер. Например, в случае дистанционной защиты это будет комплексное сопротивление Z(n)=U(n)/I(n). Иначе говоря, в данном случае преобразователь 12 реализует операцию пошагового деления текущих комплексных сигналов U(n) и I(n). Для каждого шага в данной структуре предусмотрен отдельный исполнительный блок 13-15. Всего указан (N-1) блок, так как окно наблюдения продолжительностью в период Τ в настоящее время является общепринятым.

У готовой, т.е. прошедшей обучение, релейной защиты каждый исполнительный блок 13-15 располагает собственной характеристикой срабатывания. Действие исполнительных блоков 13-15 объединено по схеме ИЛИ. Эту операцию выполняет оконечный модуль 16.

Операции обучения играют главную роль в рассматриваемом способе релейной защиты. На стадии обучения входные величины генерируются имитационной моделью (фиг. 1). Варьируемыми параметрами модели в разных режимах являются координаты мест замыкания или , или , переходные сопротивления или , или угол передачи δ, интервал времени Δt в операции дискретизации (1), а также параметры систем 2 и 3. Поступающие от модели непрерывные токи и напряжения i(t) и u(t) после прохождения через преобразователи 8, 9 принимают дискретную форму отсчетов i(k), u(k), а после прохождения через преобразователи 10, 11 - форму текущих сигналов I(n), U(n). Наконец, формирователь 12 совершает над сигналами I(n), U(n) операцию определения текущего замера Ζ(n). Замер отображается на плоскости, где должна быть построена характеристика срабатывания соответствующего исполнительного модуля. Замер Ζ(n) поступает в исполнительный модуль 14. Отображая множество α-режимов и множество β-режимов, определяют ту часть плоскости Ζ(n), где фиксируются одни только α-режимы. Обучение защиты на n-м шаге завершается определением характеристики срабатывания путем окаймления области исключительного отображения контролируемых режимов (α-режимы). Естественно, что с каждым очередным расширением окна наблюдения область срабатывания защиты будет расширяться (фиг. 3).

Релейная защита с заданными характеристиками срабатывания призвана контролировать тот объект, имитационная модель которого использовалась при обучении. Процедура контроля состоит в основном из тех же операций, что и процедура обучения. Принципиальное различие заключается в том, что в модели режимы воспроизводятся подряд один за другим в необходимом количестве и их отображения используют для задания характеристик срабатывания защиты. В процессе эксплуатации объекта аварийный режим встречается нечасто. Нормальный режим не приводит к запуску счета шагов (числа n), и на всех плоскостях замеры Ζ(n) отображаются в одном и том же месте за пределами области срабатывания. Резкий наброс нагрузки, т.е. переход от одного нормального режима к другому, более тяжелому, может запустить счет шагов. Однако новый нормальный режим при обучении защиты квалифицировался как альтернативный (β-режим), поэтому в таком режиме ни на каком шаге защита не сработает: замеры Ζ(n) отобразятся в разных местах для разных n, но везде за пределами зоны. То же произойдет и при коротких замыканиях за пределами защищаемой зоны (режимы β1) и "за спиной" (режимы β2). И лишь при коротком замыкании в защищаемой зоне (α-режим) на одном из шагов замер Ζ(n) может попасть в область срабатывания и защита сработает. Так произойдет при двух условиях. Во-первых, этот режим должен быть учтен среди множества обучающих α-режимов. Во-вторых, в процессе обучения защиты этот режим, воспроизводимый имитационной моделью, должен был отобразиться на некоторой плоскости Ζ(n₀), и на всех прочих при n>n₀, в тех областях, куда не попадают отображения β-режимов.

Преобразование отсчетов наблюдаемой величины υ(k), , в комплексный сигнал V(n) желательно иметь однотипным для всех значений n≥2, т.е. независимым от размера окна наблюдения. Если окно наблюдения занимает отрезок времени, кратный полупериоду частоты сети T/2, то простое и вместе с тем эффективное преобразование осуществляется фильтром Фурье

где V _m - комплексная амплитуда, p=1, 2, …. - целое число, ρ ₁(k)=ехр(jαk) - комплексный опорный сигнал, α=2π/Ν, - сопряженный опорный сигнал.

Способ пошагового обучения релейной защиты придает своеобразие выполняемым операциям. В частности, требуется фильтр ортогональных составляющих, способный функционировать на произвольном окне наблюдения, т.е. осуществляющий преобразование выборки отсчетов υ(k), , в комплексный сигнал V _m(n). Фильтр, решающий поставленную задачу в рамках предлагаемого способа повышения быстродействия релейной защиты, выполняет следующую операцию

где H(n) - постоянная величина для каждого шага n, ρ ₂ (k,n) - второй опорный сигнал:

γ(n)=2α+β(n),

β(n)=2π/n,

Благодаря операциям обучения с участием имитационных моделей контролируемого энергообъекта предлагаемый способ релейной защиты выполняет автоматическое ранжирование режимов короткого замыкания в защищаемой зоне по времени распознавания. Вне зависимости от вида замера и от типа энергообъекта происходит минимизация времени срабатывания защиты.

Источники информации

1. Патент РФ №2316871, МПК H02H 3/40, 2006.

2. Патент РФ №2316872, МПК H02H 3/40, 2006.

3. Патент РФ №2404499, МПК Н02Н 3/40, 2009.

4. Патент РФ №244829, МПК H02H 6/00, H02H 3/16, H02H 3/40, G01R 31/08, 2010.

5. Патент РФ №2450402, МПК H02H 3/40, 2010.

6. Патент РФ №2553448, МПК Н02Н 3/40, 2014.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение быстродействия релейной защиты. Данный способ обнаруживает аварийные режимы объекта, отличающиеся друг от друга по времени распознавания. Делается это с привлечением имитационных моделей контролируемого объекта. Моделируются два типа взаимно противостоящих режимов: первый - короткие замыкания в защищаемой зоне; второй - все прочие режимы, когда срабатывание защиты запрещается. Имитационные модели подают на релейную защиту токи и напряжения в режимах обоих типов и тем самым проводят обучение релейной защиты. Электрические величины представляют в дискретной форме. Отсчеты величин режима короткого замыкания преобразуют в промежуточные текущие величины. Преобразование совершается в нарастающем окне наблюдения на каждом шаге увеличения окна. Из промежуточных величин формируют текущий замер. Обучение выполняют на каждом шаге, получая столько характеристик срабатывания, сколько шагов, начиная со второго, предусмотрено для обучения защиты. Для дистанционной защиты линий электропередачи промежуточными величинами являются комплексные сигналы, изменяющиеся с каждым шагом наблюдения. В рамках предлагаемого способа дана реализация фильтра ортогональных составляющих, формирующего текущие комплексные сигналы. Частным случаем этого фильтра, работающего на произвольном окне наблюдения, является широко применяемый фильтр Фурье, для которого окно наблюдения кратно полупериоду частоты сети. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ релейной защиты энергообъекта с использованием его имитационных моделей в контролируемых режимах короткого замыкания и в альтернативных режимах путем фиксации отсчетов электрических величин, преобразования отсчетов в промежуточную величину, преобразования промежуточных величин в замер, обучения релейной защиты замерами от имитационных моделей и определения характеристики срабатывания на плоскости замера, отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия промежуточные величины формируют как текущие сигналы на каждом шаге наблюдения режима короткого замыкания, начиная с двух отсчетов каждой величины, текущие сигналы преобразуют в текущий замер релейной защиты, обучение защиты проводят текущими замерами на каждом шаге наблюдения и для каждого шага наблюдения определяют собственные характеристики срабатывания защиты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что текущий сигнал формируют в комплексной форме в соответствии с преобразованием
, n≠pN/2, n≥2,
, n=pN/2,
где - текущая комплексная амплитуда, υ(k) - отсчет тока или напряжения, k - дискретное время, n≥2 - номер шага наблюдения или, что то же, число отсчетов каждой величины υ(k), - комплексные опорные сигналы , , α=2π/N, β(n)=2π/n, р=1, 2, … - целое число, N - число отсчетов на периоде номинальной частоты, j - мнимая единица, - текущий коэффициент:

где γ(n)=2α+β(n).