УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ УЗЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНАМИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМИ ОПТИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ С ЧАСТОТНЫМ КОДИРОВАНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК H02H1/00 

Область техники:

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности, к системам релейной защиты и автоматики. Изобретение способствует снижению затрат на реализацию этих систем, повышению надежности и упрощению их эксплуатации. Изобретение предлагает альтернативный способ реализации развиваемой в последнее время концепции «цифровой подстанции» путем отказа от сложной в реализации и настройке локальной вычислительной сети, отказа от протоколов передачи данных и организации процедур, связанных с этим.

Уровень техники:

Классические устройства релейной защиты и автоматики строятся из логически завершенных частей, функционально законченных и легко поддающихся проверке. В этом безусловное преимущество таких защит и основа их высокой надежности. Если выделить отдельно эти части, то по каждой из них, есть строгие правила конструирования, реализации и проверок. Именно эти качества, определяющие надежность функционирования, и являются причиной того, что прогресс в области релейной защиты и автоматики, главным образом, заключается в замене электромеханических механизмов реле на электронные или микропроцессорные подобные компоненты. Такие шаги развития позволяют сохранить принцип поэлементной проверки и выявления неисправности, а так же упростить требования к обслуживающему персоналу, но вместе с тем требуют повышенного внимания к помехозащищенности и применения, например, экранированного кабеля. Новые технологии передачи данных и прогресс производительности вычислительных устройств, подталкивают к поиску новых путей развития. Наибольшие усилия ученых, работающих в области релейной защиты, сконцентрированы на построении концепции так называемой «цифровой подстанции». Цифровая подстанция, сложившийся термин, предполагает уменьшение объемов кабельных связей и переход к передаче данных о состоянии электрической схемы по локальным вычислительным сетям с применением специально разработанных сетевых устройств и специальных протоколов передачи данных. Цифровая подстанция позволяет получить такие преимущества как уменьшение кабельного хозяйства, гибкость изменения логики работы защит, высокая концентрация функций защит в одном устройстве и возможность реализации более сложных функций. Вместе с тем, появляется ряд недостатков, не присущих ранее релейной защите - теряется возможность покомпонентной проверки и поиска неисправности, требуется привлечение специалистов по настройке локальных вычислительных сетей и сетевому оборудованию. Как отдельная угроза, рассматривается угроза кибератаки на локально вычислительную сеть цифровой подстанции. Это является причиной того, что цифровые подстанции, при всех потенциальных преимуществах, не имеют значительного числа промышленных внедрений. Все попытки совершенствования цифровой подстанции не могут решить главного недостатка - сложности организации сетевой инфраструктуры. Один из примеров такого совершенствования цифровой подстанции приведен патенте JP 5926540 B2 (US 9444243 B2) «Система защиты и управления и объединяющее устройство». Близкое по реализации устройство описано в патенте на изобретение RU 2468407 «Автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции» которое является классическим образцом цифровой подстанции, распространяемой во всем мире на основании сети Ethernet при использовании международного протокола IEC 61850. Указанное устройство можно принять за прототип. Прототип включает в себя датчики технических параметров оборудования электрической подстанции соединенные с преобразователями электрического сигнала в оптический подключенные к оптической шине передачи данных, на которой также расположены преобразователи оптического сигнала в электрический сигнал, которые подключены непосредственно к устройству для мониторинга, защиты, регистрации и управления оборудованием электрической подстанции. Это устройство управления выполнено в виде кластера серверов, состоящего из нескольких компьютеров, соединенных в единую систему с помощью внутренней информационной шины кластера. Положительным качеством прототипа является использование оптической среды передачи данных, защищенной от воздействия электромагнитных помех. При этом, для достижения такого качества, применяются сложные технические решения, препятствующие распространению данной технологии. Используемые в прототипе «датчики технических параметров оборудования электрической подстанции соединенные с преобразователями электрического сигнала в оптический» являются технологически сложными объектами, поскольку, помимо основной задачи измерения параметра решают задачу подготовки данных для передачи в цифровом виде по протоколу МЭК 61850. Программная реализация МЭК 61850 включает в себя реализацию целого ряда стандартов по передаче данных (MMS ISO 9506, стека протоколов ISO, GOOSE и GSSE), что приводит к необходимости использования для построения такого датчика вычислительных устройств значительной мощности и требует больших объемов разрабатываемого программного кода. Оптическая шина прототипа, построенная по топологии «звезда» или «кольцо», должна состоять из сетевых коммутаторов подготовленных к передаче данных протокола МЭК 61850, что требует дополнительных затрат на программное обеспечение, тестирование и сертификацию коммутаторов. Управляющее устройство прототипа включает в себя целый кластер серверов соединенных с помощью внутренней информационной шины кластера, что требует помимо ресурсов, необходимых для решения задач управления, значительных ресурсов, используемых для синхронизации работы всех устройств кластера и организации передачи данных в пределах кластера. Указанные технические проблемы, проявляющие себя как на стадии создания, так и в процессе эксплуатации, а так же высокая стоимость компонентов и программного обеспечения являются причинами низкого темпа внедрения цифровых подстанций. Основным направлением развития является усовершенствование международного протокола МЭК 61850, который, с момента своего появления в 2001 году претерпел более сорока модернизаций, но, тем не менее, не смог обеспечить значительного роста числа цифровых подстанций.

Предлагаемое изобретение, по ряду признаков, может быть отнесено к категории цифровых подстанций, позволяя получить все те преимущества, которые дает цифровая подстанция, но вместе с тем, содержит ряд принципиально новых решений, позволяющих уйти от проблем существующих цифровых подстанций, проблем присущих прототипу. Общим решением, присущим и прототипу и предлагаемому изобретению следует признать использование оптической среды передачи данных, как наиболее доступной и защищенной информационной среды в условиях сложной электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики. Главным отличием, выводящим изобретение на новый изобретательский уровень, является отказ от протоколов передачи данных и использование принципа частотной модуляции импульсов в оптической среде. Такое решение коренным образом меняет подход к реализации цифровой подстанции. Сохраняются позитивные качества всех ранее известных решений, такие, как высокая помехозащищенность оптической среды передачи данных, и вместе с тем, устраняются присущие ранее применяемым системам недостатки.

Основным недостатком прототипа является сложность устройств, подготавливающих информацию для передачи ее в оптической среде. В предлагаемом изобретении этой цели служит простой генератор оптических импульсов, управляемый технологическим параметром электрической сети - напряжением, током или статусом коммутационного аппарата включенного в сеть. Такой генератор может быть реализован как с помощью аналоговой схемотехники, так и с помощью программируемых логических матриц или микропроцессорных устройств малой вычислительной мощности. В отличии от прототипа, такой генератор может быть выполнен без собственного программного обеспечения, требующего настройки. Использование программируемых логических матриц позволяет значительно повысить отказоустойчивость и снизить энергопотребление. В отличие от датчика, используемого в прототипе, генератор является типовым изделием массового производства, не требующим наладки по месту установки, и может быть унифицирован для всех объектов электроэнергетики.

Вторым недостатком прототипа является использование «оптической шины передачи данных». Для организации такой шины, по которой осуществляется передача всех данных энергообекта, приходиться использовать протоколы передачи данных со сложными логическими уровнями, регламентирующими порядок опросов и передач данных, направленность адресатам и контроль целостности принятых пакетов данных, отсутствие коллизий. Предлагаемое изобретение не использует подобную шину. Генераторы передают импульсы только однонаправлено и только определенных параметров, используя свой, индивидуальный канал. Этим обеспечивается высокая надежность, простота создания и обслуживания.

Третьим недостатком прототипа следует назвать потребность в больших вычислительных мощностях центрального устройства, для чего в нем создается кластер серверов. Предлагаемое изобретение требует значительно меньше вычислительных ресурсов, поскольку отпадает необходимость решать задачи транспорта данных, а обработка данных от генераторов сводиться к организации таймеров, выполняющих расчет мгновенных значений и работающих по прерываниям, поступающими оптическими импульсами от генераторов.

При сравнении предлагаемого изобретения с более простыми устройствами релейной защиты, например с полезной моделью RU 73557 «Устройство защиты электроустановки», необходимо отметить, что указанная полезная модель не может быть выбрана в качестве прототипа, поскольку ставит задачей защиту только одного присоединения и не может быть с масштабирована на узел электрической сети размера подстанции по причине непосредственного подключения датчиков тока к «Блоку обработки сигналов» и невозможности выноса его за пределы установки, а также введения в него токов, напряжений, статусов коммутационных аппаратов других присоединений, что существенно ограничивает функциональность устройства функциями время-токовой защиты. Использование оптической среды передачи данных выполнено парой «светодиод - фотосимистор», что позволяет исполнить защитные функции только при целостности канала. «Темный канал», то есть канал в отсутствии сигнала управления и поврежденный канал неотличимы, что не позволяет диагностировать защиту и предотвратить аварийную ситуацию. Применение частотного кодирования позволяет, в таком случае, выявить неисправность защиты, что является положительным качеством, отличающим предлагаемое изобретение от указанной полезной модели.

Проведенный анализ уровня техники показывает, что решение с частотным кодированием технологических параметров электрической сети в оптической среде является новым техническим решением, занимая по сложности промежуточное положение между передачей данных в оптической среде с организацией локально-вычислительной сети и применением сложных протоколов, как в изобретении RU 2468407 и других подобных решениях типа «цифровая подстанция» и, с другой стороны, простейшей передачей сигнала в оптической среде парой «светодиод - фотосимистор», как в решении патента RU 73557. В отличии от простейшего решения, где схемное решение ограничивает увеличение функциональности, и решения с использованием протокола МЭК 61850, когда расширение схемы ограничено локально-вычислительной сетью, решение с использованием частотного кодирования позволяет выполнять релейные защиты максимально используя вычислительную мощность современных микропроцессоров для алгоритмической реализации функций защит.

Задача изобретения состоит сохранении качеств, присущих классическим релейным защитам, таких как возможность нормированного поэлементного контроля, и получение положительных качеств, присущих цифровой подстанции, таких как, отказ от объемного кабельного хозяйства, возможность концентрации всех функций защиты и управления в одном устройстве. Задача решается путем отказа от попытки передать всю необходимую информацию через одну общую локальную вычислительную сеть, «шину процесса», в соответствии с терминологией протокола МЭК 61850, имеющую сложную организацию. При рассмотрении принципов организации передачи данных от источников сигналов к центральному вычислительному устройству, не трудно заметить, что потребности в создании и совершенствовании протоколов передачи данных идут от желания обеспечить высокое уплотнение передаваемой информации в небольшое число каналов связи. Такой принцип организации передачи данных унаследован от телекоммуникационных систем, где ограниченность и высокая стоимость каналов связи приводят к необходимости организации уплотнения передачи данных. Для энергетических объектов, таких как подстанции, удаленность источников сигналов от центра, осуществляющего управление, не превышает, в худшем случае, двух километров, что позволяет разработчику не ограничивать себя количеством каналов передачи данных, множественно используя недорогие каналы оптической связи с использованием волоконно-оптического кабеля.

При снятии ограничения на количество каналов связи, целесообразно прейти от опыта, накопленного в телекоммуникационной сфере к опыту, используемому в радиовещании, когда важно не уплотнение информации, а наличие механизма выделения необходимой информации в имеющемся информационном пространстве. Механизм кодирования информации о состоянии электрической схемы, предлагаемый изобретением, во многом схож с механизмом передачи информации по радиоканалам с использованием частотной модуляции. Предлагаемое изобретение использует опыт, накопленный в этой области техники, и позволяет решить поставленные технические задачи с минимальной стоимостью, с обеспечением высокой надежности работы и простоты эксплуатации.

Раскрытие изобретения

Предметом изобретения является устройство релейной защиты и автоматики узла электрической сети, имеющее в своем составе генераторы оптических импульсов, частота следования которых зависит от величин мгновенных значений напряжений, токов или статусов коммутационных аппаратов электрической сети, оптические каналы связи, по которым импульсы передаются в оптические порты микропроцессорного вычислителя, микропроцессорный вычислитель, осуществляющий пересчет частот импульсов в мгновенные значения параметров электрической сети и выполняющий, в соответствии с заложенным алгоритмом, генерацию через выходные оптические порты импульсов заданной частоты для передачи их по каналам связи к коммутирующим элементам электрической сети, меняющим свой статус в зависимости от частоты пришедших импульсов. Главным отличием, отличающим предлагаемое изобретение от всех применяемых ранее, является то, что в оптических каналах связи не используется шифрование данных на основании каких-либо протоколов передачи данных или дейтаграмм. Благодаря частотному модулированию передаваемых технологических параметров время транспортного запаздывания измеренной величины на входе микропроцессорного вычислителя равно периоду частоты следования импульсов, что при частотах в десятки килогерц и более достаточно для решения задач защиты и автоматики как в скалярном, так и в векторном виде.

В наиболее простом варианте, для каждого измеряемого значения используется индивидуальный канал связи. Варианты развития изобретения предусматривают уплотнение передаваемой информации за счет использования среды волоконно-оптического канала связи в нескольких диапазонах оптического спектра. Кроме того, возможны варианты развития изобретения, когда один оптический сигнал может быть доставлен нескольким получателям при применении разветвителей оптического потока. В таком случае, возможно дублирование части схемы и построение дополнительных схем контроля. Для удобства изложения, далее приводится простейший вариант реализации устройства. Для построения токовых защит используется, по меньшей мере, один канал измерения тока. Для построения защит по напряжению используется, по меньшей мере, один канал измерения напряжения. В общем же случае, число каналов измерения напряжения, тока, состояния коммутационной аппаратуры ни чем не ограничено, и для устройства уровня подстанции, включает в себя: все измеряемые токи и напряжения, все необходимые для реализации логики защиты и управления контакты статусов коммутационных аппаратов, а также каналы управления всеми коммутационными аппаратами контролируемого узла сети. Волоконно-оптические каналы связи могут проходить через общие для нескольких каналов многоволоконные кабели, но сохраняют при этом независимость друг от друга вплоть до индивидуального оптического порта на микропроцессорном вычислителе.

Функциональная схема устройства, предлагаемого изобретением, приведена на чертеже Фиг. 1. Источниками поступления информации о состоянии электрической схемы служат классические источники таких сигналов - внешние трансформаторы напряжения, трансформаторы тока, вспомогательные контакты определения положения коммутационных аппаратов. Измерительный трансформатор напряжения 1 имеет на входе первичное напряжение U₁, определяемое номиналом сети, а на выходе, напряжение U₂, взятое из ряда стандартных, например 100 В или 100/√3B. Измерительный трансформатор тока 2, имеет на входе первичный ток I₁, номинал которого определен расчетным режимом работы электрической сети, а вторичный ток I₂ взят из ряда стандартных, например 1А или 5А. Положение коммутационных аппаратов или состояние вспомогательных механизмов и датчиков вводят в схему с использованием вспомогательных контактов 3. В местах, максимально приближенных к источникам сигналов устанавливаются генераторы 4, 5 и 6, генерирующие последовательность оптических импульсов определенной частоты в зависимости от мгновенного значения приложенного к входу параметра электросети. Так, генератор 4 генерирует оптические импульсы в зависимости от мгновенного значения поступающего напряжения U2. При отсутствии напряжения на входе, генератор генерирует импульсы на оптическом выходе с частотой следования f₀ - базовой частотой передачи канала. Частота импульсов меняется по линейному закону в зависимости от величины входного напряжения и при максимальной положительной амплитуде напряжения U₂ составляет f₀+Δf, а при максимальной отрицательной амплитуде напряжения U₂ - составляет f₀-Δf. Аналогично работает генератор 5, управляемый током и генерирующий импульсы с частотой, зависимой от тока I₂. При отсутствии тока на входе, генератор генерирует импульсы с частотой следования f₀. Частота следования импульсов меняется по линейному закону в зависимости от величины тока и при максимальной положительной амплитуде тока I₂ составляет f₀+Δf, а при максимальной отрицательной амплитуде тока I₂ составляет f₀-Δf. Генератор 6 генерирует последовательность оптических импульсов в зависимости от поступившего на его вход состояния вспомогательного контакта. При состоянии контакта «0», частота следования импульсов генератора составит f₁, а при состоянии контакта «1», частота генератора составит f₂. Проводя аналогию с другими отраслями техники, можно сказать, что генераторы 4 и 5 используют частотную модуляцию, широко применяемую в радиовещании, а генератор 6 использует двухчастотное кодирование. Принципиально, генератор 6 может быть сконструирован так, что будет контролировать большее количество контактов, генерируя при этом большее число вариантов частот. Возможно, что такое решение удешевило бы устройство в целом, однако нужно принять во внимание, что оно не будет способствовать удобству обслуживания и унификации частей системы. Последовательности оптических импульсов, сформированные генераторами 4, 5 и 6 передаются на оптические порты 1, 2 и 3 микропроцессорного вычислителя 7 посредством волоконно-оптических каналов связи 8. Для удобства эксплуатации порты могут быть оснащены трехцветными световыми индикаторами, сигнализирующими об отсутствии поступления импульсов, импульсах базовой частоты и импульсах отличной от базовой частоты. Таким образом, микропроцессорный вычислитель имеет на своих портах всю необходимую информацию о состоянии электрической схемы, представленную в виде оптических импульсов разных частот следования. Путем обратного преобразования частот в первичные измеряемые величины алгоритмическая часть микропроцессорного вычислителя получает для расчетов мгновенные значения величин напряжений и токов, а так же состояние коммутационных аппаратов схемы. На основании этих данных возможно проведение, как векторных вычислений, так и преобразование данных в скалярные величины. Микропроцессорный вычислитель реализует заложенные в него алгоритмы защиты и управления на основании поступающей информации и генерирует на порту 4 последовательность оптических импульсов одной из частот следования - f₃ или f₄. Сформированные импульсы по волоконно-оптическому каналу 9 поступают в частотный детектор 10, осуществляющий декодирование поступающего сигнала в дискретную величину. При поступлении частоты следования импульсов f₃ на выходе D₂, например, формируется логический сигнал «0», а при частоте следования импульсов f₄ - формируется логический сигнал «1». При изменении сигнала D2, например, с «0» на «1» частотный детектор осуществляет воздействие на электромагнит отключения (включения) коммутационного аппарата 11, в результате чего реализуется защитное или управляющее воздействие. Поступление импульсов с частотой f3 или наличие логического сигнала «0» может использоваться для контроля со стороны коммутационного аппарата исправности канала управления.

Таким образом, изобретение решает все поставленные технические задачи:

1. Сохраняются преимущества классической схемы защиты, такие как:

a. Возможность поэлементной проверки компонентов каждого измерительного канала индивидуально, и как следствие, быстрый поиск и замена неисправного элемента;

b. Возможность применения трансформаторов напряжения и тока типовой конструкции, работающих как для классических схем защиты, так и для предлагаемой схемы;

c. Возможность унификации компонентов схемы, что способствует широкому промышленному внедрению;

d. Отсутствие необходимости привлечения специалистов по настройке сетевых компонентов локальной вычислительной сети и возможность использования персонала с имеющейся квалификацией.

2. Реализуются преимущества, предполагаемые при применении концепции цифровой подстанции, такие как:

a. Полная ликвидация протяженных кабельных связей, выполненных контрольным кабелем, и как следствие, решение проблем с падением напряжения в измерительных цепях напряжения, решение проблем превышения нагрузок токовых цепей, решение проблем электромагнитной совместимости, общее снижение стоимости систем защит и автоматики;

b. Возможность применения одного центрального управляющего устройства вместо множества отдельных терминалов ограниченного функционала, и как следствие, упрощение проектирования и наладки, снижение общей стоимости систем защит и автоматики.

3. Появляются новые возможности по раздаче массива измеренной информации в несколько адресов с помощью оптических разветвителей, что открывает новые возможности по построению схем резервирования и контроля;

4. Появляются новые возможности проведения диагностики и создания простого в изготовлении и использовании тестового оборудования;

5. Появляются возможности по созданию принципиально новых, экстерриториальных защит, не ограниченных одной подстанцией или линией электропередачи;

6. Появляются возможности по созданию защит с высоким быстродействием, способных отключать повреждение в доли периода напряжения электрической сети.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена функциональная схема устройства релейной защиты и автоматики, предлагаемого изобретением.

На чертеже представлено:

1 - измерительный трансформатор напряжения;

2 - измерительный трансформатор тока;

3 - вспомогательный контакт коммутационного аппарата электрической схемы;

4 - генератор последовательности оптических импульсов управляемый напряжением;

5 - генератор последовательности оптических импульсов управляемый током;

6 - генератор последовательности оптических импульсов управляемый статусом дискретных сигналов;

7 - микропроцессорный вычислитель;

8 - волоконно-оптические каналы связи, подключенные к входным портам микропроцессорного вычислителя;

9 - волоконно-оптический канал связи подключенный к выходному порту микропроцессорного вычислителя;

10 - частотный детектор замыкающий контакты в зависимости от частоты следования оптических импульсов;

11 - электромагнит отключения (включения) коммутационного аппарата.

Осуществление изобретения

При реализации устройства используются как стандартные изделия выпускаемые промышленностью, так и оригинальные изделия. К стандартным, массово освоенным промышленностью изделиям можно отнести измерительные трансформаторы напряжения и тока. Также промышленностью освоена широкая номенклатура комплектующих для построения волоконно-оптических каналов связи. К оригинальным изделиям можно отнести генераторы оптических импульсов и микропроцессорный вычислитель. При этом следует отметить, что схемотехника оригинальных изделий хорошо освоена промышленностью и позволяет применять микросхемы высокой степени интеграции. Микропроцессорный вычислитель может быть выполнен на одном из множества вариантов микропроцессоров, предлагаемых рынком микроэлектроники, в том числе и работающим под управлением операционной системы реального времени.

Источники информации

1. Патент на изобретение JP5926540 B2 (US 9444243 B2) «Система защиты и управления и объединяющее устройство»;

2. Патент на изобретение RU 2468407 «Автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции»;

3. Патент на полезную модель RU 73557 «Устройство защиты электроустановки».

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - отказ от объемного кабельного хозяйства и возможность концентрации всех функций защиты и управления в одном устройстве. Устройство релейной защиты и автоматики узла электрической сети имеет в своем составе: генераторы оптических импульсов, частота которых зависит от величин мгновенных значений напряжений, токов или статусов коммутационных аппаратов электрической сети, оптические каналы связи, по которым импульсы передаются в оптические порты микропроцессорного вычислителя, микропроцессорный вычислитель, осуществляющий пересчет частот импульсов в мгновенные значения параметров электрической сети и выполняющий, в соответствии с заложенным алгоритмом, генерацию через выходные оптические порты импульсов заданной частоты для передачи их по каналам связи к коммутирующим элементам электрической сети, меняющим свой статус в зависимости от частоты пришедших импульсов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство релейной защиты и автоматики узла электрической сети, имеющее в своем составе: генераторы оптических импульсов, частота которых зависит от величин мгновенных значений напряжений, токов или статусов коммутационных аппаратов электрической сети, оптические каналы связи, по которым импульсы передаются в оптические порты микропроцессорного вычислителя, микропроцессорный вычислитель, осуществляющий пересчет частот импульсов в мгновенные значения параметров электрической сети и выполняющий, в соответствии с заложенным алгоритмом, генерацию через выходные оптические порты импульсов заданной частоты для передачи их по каналам связи к коммутирующим элементам электрической сети, меняющим свой статус в зависимости от частоты пришедших импульсов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в оптических каналах связи используется увеличение количества передаваемых оптических импульсов с применением нескольких длин волн оптического спектра.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в оптические каналы связи включены элементы для разделения или объединения оптических сигналов, позволяющие включить в структуру устройства дублирующие элементы канала, повышающие надежность его работы.