Устройство релейной защиты и управления электрической подстанцией Российский патент 2025 года по МПК G05B19/00 H02H3/05 

Заявляемое изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности, к цифровым средствам релейной защиты и управления.

В электротехнике широко известно устройство релейной защиты, которое устанавливается и работает автономно отдельно на каждом элементе электроэнергетической системы. С помощью этого устройства контролируют параметры этого элемента, и на основе результатов контроля выявляют повреждения в этом элементе. Поврежденный элемент отключают от исправной части электроэнергетической системы [1]. Оно содержит датчики тока защищаемого присоединения, выключатель защищаемого присоединения, автономное индивидуальное устройство защиты, входы которого подключены к выходам датчиков тока защищаемого присоединения, а выход индивидуального устройства защиты подключен к входу управления выключателя защищаемого присоединения. Автономное устройство защиты устанавливается на каждом присоединении всех силовых узлов электрической подстанции. Каждое автономное устройство защиты контролирует с помощью датчиков токи только соответствующего (своего) присоединения, и, в случае превышения контролируемым током порогового уровня, отключает соответствующее (свое) присоединение силового узла электрической подстанции.

Недостатком известного автономного устройства защиты является то, что достоверность выявления повреждения низка, поскольку оно контролирует токи (параметры) только одного (своего) присоединения, на котором оно установлено и не использует дополнительную информацию о токах других присоединений.

Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является цифровое устройство релейной защиты и управления электрической подстанции, использующее токи группы силовых присоединений секции шин (узла) электрической подстанции [2].

В этом устройстве защиты датчики тока силовых присоединений и входы управления выключателей силовых присоединений подключены к общему (центральному) блоку, реализующему алгоритмы релейной защиты, через соответствующие цифровые шины (коммутаторы). В связи с этим, имеется возможность в алгоритмах релейной защиты использовать токи других (смежных) присоединений, использовать больше исходной информации. Благодаря этому централизованное устройство-прототип [2] обеспечивает более высокую степень достоверности и селективности выявления повреждений по сравнению с автономным способом и устройством-аналогом [1].

При наличии исправных датчиков тока на каждом присоединении силового узла подстанции в центральном устройстве управления присоединениями силового узла подстанции имеются токи всех присоединений. По первому закону Кирхгофа сумма токов (с учетом их направлений) всех присоединений силового узла равна нулю [3]. Если выйдет из строя датчик тока одного из присоединений и информация о токе этого присоединения не будет поступать в центральное устройство управления силовым узлом подстанции, или выйдет из строя устройство управления одним присоединением силового узла подстанции, то ток этого присоединения вычисляется в соответствии с первым законом Кирхгофа, как сумма токов других присоединений с обратным знаком.

Однако, в устройстве-прототипе не предусмотрена возможность учета фазового сдвига между суммируемыми переменными токами присоединений. Коэффициенты мощности нагрузок отдельных присоединений (или углы сдвига токов присоединений относительно напряжения питания) могут значительно различаться. Поэтому, при суммировании, например, интегральных значений токов присоединений возникает значительная погрешность определения неизвестного тока.

Кроме этого, в устройстве-прототипе применена радиальная схема соединения цифровых блоков защиты (отдельная линия от блока управления каждого присоединения до центрального блока управления узлом подстанции), для которой характерны большие протяженности цифровых линий связи (с высокой степенью уязвимости) на подстанциях и необходимы дорогостоящие и не достаточно надежные цифровые коммутаторы.

Таким образом, недостатком известного решения является низкая в целом точность косвенного определения тока присоединения (без синхронизации выборок тока) при отсутствии сигнала о токе этого присоединения и низкая надежность работы в реальных условиях электрических подстанций.

Цель изобретения состоит в повышении точности и надежности релейной защиты и управления за счет синхронизации измерений токов присоединений и кольцевого соединения блоков релейной защиты и управления подстанцией.

Указанная цель достигается тем, что в устройство релейной защиты и управления электрической подстанции, содержащее на каждом присоединении каждой секции шин подстанции выключатели, цифровые блоки управления присоединением, цифровые блоки управления выключателем, первые порты блоков управления присоединением соединены с первыми портами цифровых блоков управления выключателем соответствующих присоединений, выходы цифровых блоков управления выключателем соединены со входами управления выключателями соответствующих присоединений, один на секцию шин подстанции блок управления силового узла подстанции, дополнительно введен блок синхронизации, включены последовательно в кольцевую цифровую сеть попарно соответствующие цифровые блоки управления присоединением и цифровые блоки управления выключателем всех присоединений, включены последовательно в эту же кольцевую цифровую сеть блок управления силовым узлом подстанции и блок синхронизации.

В частности, первый порт блока синхронизации соединен с первым портом блока управления силовым узлом подстанции, второй порт блока управления силовым узлом подстанции соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем первого присоединения, второй порт блока управления первым присоединением соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем второго присоединения, второй порт блока управления вторым присоединением соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем следующего присоединения, второй порт каждого следующего блока управления соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем следующего присоединения, второй порт блока управления последнего из присоединений узла подстанции соединен со вторым портом блока синхронизации.

Кроме этого, цифровая кольцевая сеть может быть выполнена двойной с использованием отдельных портов блоков для каждой кольцевой сети.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового блока синхронизации и связями блоков между собой, что обеспечивает повышение точности косвенного определения тока в присоединении при отсутствии сигнала о токе этого присоединения за счет учета фазового сдвига между током и напряжением. При этом повышается точность работы релейной защиты. Соединение цифровых блоков управления присоединением и блока синхронизации по кольцевому принципу позволяет иметь для каждого блока резервирующие линии связи, и информация к каждому блоку может поступать по двум направлениям. Благодаря этому автоматически резервируются линии связи каждого блока, и, в случае повреждения какого-либо участка линии связи, работоспособность всего устройства релейной защиты в целом не нарушается. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими показывает, что введение в устройство блока синхронизации и кольцевых связей между блоками обеспечивает проявление системного эффекта и новых свойств, позволяющих повысить точность косвенных измерений токов и надежность устройства релейной защиты и управления электрической подстанции в целом. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям «существенные отличия» и «изобретательский уровень».

Эти новые свойства проявляется следующим образом. Данные о токах каждого присоединения (чертеж) непрерывно передаются в цифровом виде в блок управления силового узла подстанции. Это дает возможность постоянно контролировать баланс токов узла (секции шин) в соответствии с первым законом Кирхгофа. Причем, данные о токах присоединений синхронизируют, присваивают каждой выборке тока метку времени, соответствующую моменту формирования выборки.

При сбое, когда прекращается поступление информация о токе в одном из присоединений в блок управления силового узла подстанции, в нем запускается процесс косвенного определения тока по известным токам. Полученный косвенным методом ток считают током неконтролируемого присоединения и активируют функции релейной защиты этого присоединения с соответствующими этому присоединению параметрами срабатывания.

Наличие метки времени для каждой выборки тока позволяет совмещать значения токов в разных присоединениях по соответствующим моментам времени измерения, и тем самым реализовывать строгое вычисление неизвестного тока по мгновенным значениям и по правилам векторных вычислений. Таким образом, косвенное определение неизвестного тока выполняется с более высокой точностью.

Если в этих условиях произойдет повреждение в неконтролируемом присоединении, то в зависимости от зоны, в которой произошло повреждение, срабатывает соответствующая ступень защиты, и формируется сигнал отключения выключателя этого присоединения. Через кольцевую цифровую сеть и блок управления соответствующим выключателем выходной сигнал защиты поступает на управляющий вход выключателя, и выключатель отключает поврежденное присоединение. Более высокая точность определения неизвестного тока присоединения, в свою очередь, обеспечивает более высокую точность работы устройство релейной защиты и управления электрической подстанции.

Топология цифровой сети, обеспечивающей связь между отдельными блоками цифрового устройства защиты и управления для электрической подстанции, важна, и во многом определяет надежность релейной защиты. Кольцевая цифровая сеть на электрической подстанции менее уязвима, т.к. линии связи блоков имеют небольшую протяженность и, в случае неисправности одного узла или участка линии цифровой связи, данные передаются до места назначения по альтернативному пути. Это делает сеть более отказоустойчивой. Кроме этого, в кольцевой топологии отсутствует необходимость использовать коммутаторы или маршрутизаторы для управления потоками данных, что упрощает конфигурацию и экономит ресурсы. Эти факторы обеспечивают более высокую надежность предлагаемого технического решения.

На чертеже представлена структурная схема цифрового устройства защиты и управления для электрической подстанции, обеспечивающего осуществление заявленного технического решения.

Цифровое устройство, в соответствии со структурной схемой (чертеж), содержит: блок управления силовым узлом подстанции 1; блок синхронизации 2; выключатели первого, второго и последнего, соответственно, присоединений силового узла подстанции 3, 6, 9; цифровые блоки управления выключателем первого, второго и последнего соответствующих присоединений силового узла подстанции 4, 7, 10; цифровые блоки управления присоединением 5, 8, 11 первого, второго и последнего соответствующих присоединений.

Количество выключателей, цифровых блоков управления выключателем и цифровых блоков управления присоединением равно количеству присоединений у каждого силового узла (в частности, секции шин) подстанции.

Устройство построено по кольцевой топологии. В кольцевой топологии каждый блок играет роль ретранслятора и не требуется применять специальные коммутаторы. Для обеспечения передачи данных в кольцевой сети используют специальный кольцевой протокол. Этот протокол определяет порядок передачи данных и обеспечивает контроль доступа к среде передачи.

Устройство работает следующим образом. В каждом блоке управления присоединением измеряют ток соответствующего присоединения, производят его оцифровку по определенным правилам, синхронизирует выборки тока и направляют синхронизированные цифровые данные (имеющие метки времени) через среду их передачи в блок управления силового узла подстанции. Вместе с этим, используя полученные в цифровом виде данные, реализуют функции релейной защиты присоединения, на котором установлен соответствующий блок управления присоединением. В частности, сравнивают текущие значения тока присоединения с пороговым значением. Если текущее значение тока меньше порога срабатывания, то считают, что в контролируемой зоне защиты повреждения нет.Если текущее значение тока больше порога срабатывания, то формируют сигнал на отключение контролируемого присоединения с задержкой по времени, соответствующей ступени защиты.

Таким образом, блок управления присоединением совмещает в себе функцию мультиплексирования (например, по протоколу МЭК-61850-9-2) вторичного измеряемого тока для передачи в цифровую кольцевую сеть подстанции и функцию релейной защиты присоединения (используя для этого тот же ток в цифровом виде).

Управление выключателем присоединения осуществляют, как непосредственно от блока управления присоединением, так и через кольцевую цифровую сеть подстанции от централизованного устройства с помощью цифрового блока управления выключателем.

Использование заявляемого технического решения позволяет существенно улучшить основные свойства релейной защиты, и, тем самым, повысить ее техническую эффективность.

Введение блока синхронизации обеспечивает точную привязку значений выборок тока к определенным моментам времени. В блок управления силового узла подстанции поступают значения выборок тока всех присоединений с метками времени. Благодаря этому все операции обработки этих сигналов производят с учетом моментов времени, в которые произведено измерение, что дает возможность учесть фазовый сдвиг каждого тока относительно напряжения.. Это позволяет устранить погрешности, обусловленные разными фазовыми сдвигами токов относительно напряжения в разных присоединениях. В случае выхода из строя блока управления одного из присоединений косвенное определение неизвестного тока в блоке управления силового узла подстанции выполняется с более высокой точностью. Следовательно, точность релейной защиты выше.

Применение кольцевой структуры цифровой сети на электрической подстанции делает эту сеть менее уязвимой из-за меньшей протяженности линий связи и наличия альтернативных путей передачи данных до места назначения. Возможность автономной работы блоков управления присоединениями в случаях нарушения работы линий связи обеспечивает выполнение основных функций релейной защиты. Таким образом, надежность релейной защиты и управления подстанцией выше по сравнению с существующими.

Источники информации:

1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.

2. Способ релейной защиты и управления электрической подстанции и устройство для его осуществления // Булычев А.В., Ефимов Н.С., Козлов В.Н. Патент RU №2693937, Н02Н 3/05. Опубликовано: 08.07.2019. Бюл. №19.

3. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1969. - 424 с.

Заявляемое изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к цифровым средствам релейной защиты и управления. Технический результат изобретения заключается в повышении точности и надежности релейной защиты и управления за счет синхронизации измерений токов присоединений и кольцевого соединения блоков релейной защиты и управления подстанцией. Указанный технический результат достигается тем, что устройство релейной защиты и управления электрической подстанцией содержит на каждом присоединении каждой секции шин подстанции выключатели, цифровые блоки управления присоединением, цифровые блоки управления выключателем, один на секцию шин подстанции блок управления силового узла подстанции. Первые порты блоков управления присоединением соединены с первыми портами цифровых блоков управления выключателем соответствующих присоединений. Выходы цифровых блоков управления выключателем соединены со входами управления выключателями соответствующих присоединений. Дополнительно введен блок синхронизации. Включены последовательно в кольцевую цифровую сеть попарно соответствующие цифровые блоки управления присоединением и цифровые блоки управления выключателем всех присоединений, в эту же кольцевую цифровую сеть включены последовательно блок управления силовым узлом подстанции и блок синхронизации. Введение блока синхронизации обеспечивает точную привязку значений выборок тока к определенным моментам времени. Это позволяет устранить погрешности, обусловленные разными фазовыми сдвигами токов относительно напряжения в разных присоединениях. В случае выхода из строя блока управления одного из присоединений косвенное определение неизвестного тока в блоке управления силового узла подстанции выполняется с более высокой точностью. Применение кольцевой структуры цифровой сети на электрической подстанции делает эту сеть менее уязвимой из-за меньшей протяженности линий связи и наличия альтернативных путей передачи данных до места назначения. Таким образом, надежность релейной защиты и управления подстанцией выше по сравнению с существующими. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство релейной защиты и управления электрической подстанцией, содержащее на каждом присоединении каждой секции шин подстанции выключатели, цифровые блоки управления присоединением, цифровые блоки управления выключателем, первые порты блоков управления присоединением соединены с первыми портами цифровых блоков управления выключателем соответствующих присоединений, выходы цифровых блоков управления выключателем соединены со входами управления выключателями соответствующих присоединений, один на секцию шин подстанции блок управления силового узла подстанции, отличающееся тем, что дополнительно введен блок синхронизации, включены последовательно в кольцевую цифровую сеть попарно соответствующие цифровые блоки управления присоединением и цифровые блоки управления выключателем всех присоединений, включены последовательно в эту же кольцевую цифровую сеть блок управления силовым узлом подстанции и блок синхронизации.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый порт блока синхронизации соединен с первым портом блока управления силовым узлом подстанции, второй порт блока управления силовым узлом подстанции соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем первого присоединения, второй порт блока управления первым присоединением соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем второго присоединения, второй порт блока управления вторым присоединением соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем следующего присоединения, второй порт каждого следующего блока управления соединен со вторым портом цифрового блока управления выключателем следующего присоединения, второй порт блока управления последнего из присоединений узла подстанции соединен со вторым портом блока синхронизации.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цифровая кольцевая сеть выполнена двойной с использованием отдельных портов блоков для каждой кольцевой сети.