Способ многофункциональной централизованной защиты электрических систем от коротких замыканий Советский патент 1989 года по МПК H02H7/26 

СП

со ел

05

3151

защиты, То во путем использования временной декомпозиции системы защиты. 1

Устройство, реализующее способ, содержит датчики параметров защищаемого объекта, многоканальный управляемый источник 2 опорных сигналов, набор зирдп,,..., ЯирдП;,...,5ирдП функциональных узлов J, универсаль35674

ную коммутирующую структуру 4, состоящую из системы горизонтальных 5 и вертикальных 6 шин, на пересечении которых установлены элементарные настраиваемые ключи 7, устройство управления 8, постоянное запоминающее устройство 9 и информационные линии 10. 17 ило

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам защиты сложных объектов ответственных электрических систем, в частности автономных, характеризующихся частыми изменениями конфигурации и режимов, например распределительных сетей. Цель изобретения - повышение надежности защиты за счет сокращения общего количества функциональных узлов путем перехода от пространственного распределения А отдельных структур устройств, входящих в систему защиты, к распределению этих А структур во времени и использования благодаря этому одних и тех же фукциональных узлов для формирования различных структур защиты, т.е. путем использования временной декомпозиции системы защиты. Устройство, реализующее способ, содержит датчики 1 параметров защищаемого объекта, многоканальный управляемый источник 2 опорных сигналов, набор {SUP_AN₁...SUP_AN_I...SUP_AN_N} функциональных узлов 3, универсальную коммутирующую структуру 4, состоящую из системы горизонтальных 5 и вертикальных 6 шин, на пересечении которых установлены элементарные настраиваемые ключи 7, устройство управления 8, постоянное запоминающее устройство 9 и информационные линии 10. 17 ил.

Изобретение относится к электро- технике и может быть использовано для защиты от коротких замыканий различных видов в электрических системах постоянного и переменного тока, например для защиты распредели- тельных сетей автономных энергосистем.

Целью изобретения является повышение надежности электрических сие- тем от коротких замыканий путем сог- кращения общего количества функциональных узлов.

На фиГо в качестве примера приведена структурная схема устройства многофункциональной централизованной релейной защиты, реализованной по предлагаемому способу; на фиг.2-17 - временные диаграммы и схемы, поясняющие способе,

Многофункциональная централизо- ванная релейная защита, в дальнейшем для краткости именуемая МЦРЗ, содержит (фиг.1) датчики 1 параметров защищаемой электрической системы (D , . ...D), многоканальный управляемый источник 2 опорных сигналов (ИОС),набор Зирд п,,...,Sup п;,...5ирд п функциональных узлов 3 (ФУ ФУ; ,о,.,ФУ), универсальную коммутирующую структуру 4 (УКС), состоящую из системы горизонтальных 5 и вертикальных 6 шин, на пересечении которы установлены элементарные настраиваемые ключи 7 (на фиГо точкой показан один ключ), имеющие два состояния на стройки: Включен или Выключен (например, триггерный контакт). Кроме того, МЦРЗ содержит устройство управления (УУ) 8 и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 9 (как вари- ант - перепрограммируемое). Выход реагирующего органа, например ФУ;, на фиг.1 соединен информационной линией 10 с входом УУ 8. Датчики 1 параметров, например электрического тока, напряжения и др., как и при известных способах защиты, устанавливаются в заданных точках защищаемой электрической системы и подключены к части горизонтальных щин 5. К другой части горизонтальных шин 5 подключены выходы ИОС 2. В случае, если функциональные узлы (ФУ) 3 выполнены в виде аналоговых устройств, то в качестве ИОС 2, используемого для формирования уставок, могут быть применены цифроаналоговые преобразователи. Если же функциональные узлы, для которых необходимо задавать уставки сра- .батьюания, являются цифровыми устройствами, то ИОС представляет собой де- мультиплексоро Кроме того, к горизонтальным шинам 5 подключены цепи дистанционного управления приводами коммутационных аппаратов защищаемых зон электрической системы. Оставшаяся часть горизонтальных шин 5 остается незанятой: они используются как рабочие коммуникации при коммутации функциональных узлов о

К части системы вертикальных шин 6 УКС подключены выходы и входы ФУ, , о о ,ФУ, Остальные вертикальные шины также остаются незанятыми и используются для обеспечения рациональных связей при формировании коммутационного графа Управляющий вход ИОС 2 соединен с частью выходов УУ 8, другая часть выходов которого подключена к входам элементарных настраиваемых ключей 7 УКС 4„ Вход УУ 8 соединен с вь1ходом ПЗУ 9.

Входные сигналы ИОС поступают с выходов УУ в виде кодов уставок о Набор ФУ 3 представляет собой совокупность функционально законченных устройств, необходи№1Х для реализации любой из входящих в ансамбль А структуры защиты, обеспечивающей выявление одного или нескольких из всех возможных видов короткого замыкания, и содержит, например, реагирующие органы, органы выдержки времени, выходные органы и др. Следует подчеркнуть, что количество одинаковых (i- го типа, ,,,.,N) функциональных узлов, входящих в набор, определяется некоторой, например j-й, структу- рой защиты, входящей в ансамбль (j 1,..,,А) и содержащей наибольшее число, т.е. 5 ирдп; функциональных узлов такого типа. Например, в случае, когда в ансамбль входит семь структур з щиты (), причем две из них содержат по четыре выходных органа, одна - девять выходных органов, а остальные - по одному выходному органу, в набор функциональных узлов не- обходимо ввести девять выходных органов. Хотя для некоторых структур защиты, входящих в ансамбль, такое количество выходных органов избыточно, это теи не менее сзтцественно меньше, чем при известных способах защиты, для которых в устройстве защиты необходимо было бы предусмотреть 2x4 + + 1x9 + А 21 выходной орган о

Таким образом, предлагаемое тех- ническое ращение предполагает рациональное использование минимального набора функциональных узлов благодаря их периодической перекоммутации для организации множества из А структур защиты Достигаемая таким обра- зом экономия в общем количестве функциональных узлов приводит к существенному упрощению многофункциональной централизованной защиты, а зна- чит, к повышению ее надежностио

УКС 4 реализует коммутацию по принципу полного графа 2. Такая УКС является полнодоступной и позво- дяет образовывать любые соединения между системами горизонтальных 5 и вертикальных 6 щин. Следует подчеркнуть высокую надежность УКС, так как обычно она реализуется в виде интегральной микросхемы, как и УУ, ПЗУ, ИОС В связи с этим производимая в предлагаемом способе фактическая замена этими элементами множества функциональных узлов приводит к существенному выйгрьппу в надежности всей системы защиты в целом

УУ 8 может быть реализовано на базе микропроцессора, осуществляющего настройку ключей 7 УКС по заложенным

5 0 5

0

5

в ПЗУ 9 правилам перекоммутациИо Соединение выходов одних ФУ с входами других ФУ осуществляется посредством незанятых датчиками параметров и ИОС горизонтальных шин„ На фиг о 1 в качестве примера линией выделена связь организованная между выходом ФУ и входом ФУ; о Видно, что включением ключей 11 и 12 возбуждается свободная горизонтальная шина, соединяющая через контакты этих ключей ФУ и ФУ;о Образованная таким образом коммутационная структура позволяет программным путем создавать любые необходимые связи для обмена информацией между всеми датчиками параметров и функциональными узлами системы защиты в соответствии с заданными правилами коммутации, заложенными в ПЗУ„

МЦРЗ функционирует следующим образом

УУ, получив из ПЗУ задание, реализует коммутационный граф, настраивая ключи УКС. Одновременно с этим УУ настраивает ИОС таким образом,чтобы на выходах последнего была представлена необходимая совокупность опорных напряжений (уставок по величине и времени). После выполнения всех необходимых соединений внутри УКС будет реализована структура I первой из входящих в ансамбль защит.

Через заданный промежуток времени t- (его величина определяется за

ранее при проектировании защиты исходя из необходимого времени анализа состояния контролируемых зон по алгоритму реализованной структуры защиты)- в случае, если режим работы защищаемых зон нормальный, то по правилам, хранящимся в ПЗУ, устройство управления перекоммутирует с помощью УКС со- ответствующие функциональные узлы, датчики и ИОС (перестраивает установки) и реализует очередную структуру II защиты, и так далее до тех пор, пока произойдет возврат к структуре I, Па этом первый цикл работы МЦРЗ заканчивается. В этом цикле бует реализован весь набор структур защит, входящих в ансамбль и, следовательно, произведен контроль защища-- емых зон по каждому из возможных виов короткого замыкания о После этого ачинается второй ц1-1кл работы МЦРЗ, совершенно аналогичный первому, и .До

715

Если в процессе работы при реализации некоторой j-й структуры будет выявлено короткое замыкание в преде- дах защищаемых зон, УУ по информационной линии 10, соединяющей его вход с выходом реагирующего органа, например ФУ; (фиг О, получает об этом информацию (ФУ- находится в сработанном состоянии) и приостанавливает дальнейшую перекоммутацию МЦРЗ„ Законсервированная структура МЦРЗ спустя время принятия решения отключает выявленное короткое замыкание соответствующего вида о

Важным условием эффективной работоспособности МЦРЗ, реализованной по предлагаемому способу, является обеспечение малой величины периода повторения одной и той же структуры в ансамбле (продолжительность одного цикла работ МЦРЗ). Этот период Т должен быть существенно меньше (на порядок) суммарного времени анализа состояния контролируемых зон (1д) и принятия решения об их отключении (tnp) самой быстродействующей структурой защиты в ансамбле Составляющая t f представляет собой отрезок времени, достаточный для срабатывания реагирующего органа защиты при возникновении короткого аамыкания в пределах защищаемой зоны (зон)„ Составляющая t пр является принудитель

НОИ вьщержкои времени, реализуемой обычно с помощью органа вьщержки времени и вводимой для отстройки от помех, способных привести к ложному срабатыванию реагирующего органа в нормальном режиме Если же информация о срабатывании реагирующего органа непрерывно формируется в течение времени t , заведомо большем максимально возможной в данных условиях длительности помехи, это свидетельствует о возникновении короткого замыкания в пределах защищаемой зоны (зон). Сказанное поясняется фиг о 2-4 на которых изображены соответствующи временные диаграммы. Цри этом рассмотрены простейшие случаи, когда в ансамбль входят три () структуры защиты - I, II, III, с временами их существования в цикле соответственно

t г t JJ , t JIJ .

На фиго2 показан случай возникновения в момент времени t короткого замьжания (к,з,) вида, выявляемого структурой II защиты, причем момент

t пришелся как раз на интервал t перекоммутации УКС в q-м цикле от структуры I к структуре 11 Так как формируемая при этом струтура II и предназначена для выявления возникшего вида К.З., то задержка t.,a. в выявлении повреждения практически отсутствует Сформированная после момента t структура II замораживается на время t („ j.j срабатывания этой защиты, которое складывается из двух составляющих - Сд и „ В течение времени t;,- jj дальнейшие перекоммутации структур не производятся и только по истечении этого интервала времени УКС перекоммутируется на очередную структуру, каковой в данном примере является структура III. Далее в следующем (q+l)-M цикле формируются структуры I, II, III и т.До

На фигоЗ показан наихудший случай; возникновение короткого замыкания вида, выявляемого также структурой II,

но в момент времени t, соответствующий интервалу U t перекоммутации УКС в К-м цикле от структуры II к структуре III. Поскольку структура III защиты не предназначена для выявления

возникшего вида к.з., то до начала его выявления пройдет какое-то время tjg задержки, равное в данном случае cyi

MB времен t

tit

-t

2flt и времени

между моментом t и началом формиро- ос вания структуры III. Спустя время t ,д, после формирования структуры II начинается выявление возникшего КоЗ,

При этом структура II

и

0

5

замораживается на время tcpn ft -пр т.е„ пока не будет дана команда на отключение поврежденной зоны, а далее возобновляется перекоммутация очередных структур

На фиг.3 видно, что в общем случае будет иметь место задержка в срабатывании защиты . , максимальное значение которой может достигать величины Т - tj, где j - номер структуры, выявляющей возникшее КоЗ. соответствующего вида С ростом числа структур в ансамбле увеличивается величина Т, причем в этом случае Т t;. Поэтому можно считать, что 5 (ад )мо1кс Д сокращения доли общем времени от момента возникновения до выявления и отключения к,з. необходимо выполнение условия 1,,ад Т : tcp j (в примере, рассмот0

915

ренном на фигоЗ, ), Другими словами, период повторения одной и той же структуры должен быть много меньшим суммарного времени анализа состояния контролируемых зон и принятия решения об их отключении самой быстродействующей в ансамбле структурой защиты Поскольку на фиг.2 и 3 затруднительно выдержать истинный масштаб времени при выполнении последнего условия, то для его иллюстрации на фиг о 4 показано примерное соотношение времен Т и jj. в одном масштабе Если при реализации релейной защиты по предлагаемому способу не удается обеспечить условие Т с t (.р j с помощью одного устройства ЩРЗ из-за большого числа структур в ансамбле, целесообразно разделить ансамбль на два, а при необходимости и более подансамблей, реализуя при этом несколько МЦРЗ. Однако современный уровень развития релейной защиты позволяет реализовывать структуры, которые за очень короткие отрезки времени tд 100 - 200 МКС в состоянии проанализировать состояние контролируемых зон„ Электронные коммутирующие устройства (УКС) обладают быстродействием порядка ut 100-200 не Таким образом, при заданном времени принятия решения (представляющем собой фактически выдержку времени, в течение которой не нарушается выполнение условий по соответствующему алгоритму анализа состояния контролируемых зон) t JJ , например, равным 50 мс, технически возможно реализовать за время Т 5 мс (Т « t д + tnp) до

Ьд + t

25-50 структур ЩРЗ в одном ансамбле, что достаточно для защиты сложных и ответственных электрических систем.

На фиг.5 и 6 - 13 приведены примеры реализации многофункциональной централизованной релейной защиты понижающего трехфазного трансформатора подстанции соответственно по известному и предлагаемому способамо При этом за основу взята изображенная на фиг.5 схема защиты На фиг.5-13 введены-следующие обозначения: В1, В2 - выключатели соответственно на высокой и низкой сторонах напряжения; ДТ.1 , ДТ2 - датчики тока в трехфазном исполнении с каналами А,В,С измере710

ния токов в соответствующих фазах; ДТЗ-датчик тока в двухфазном исполнении с каналами А, С измерения токов в соответствующих фазах; ДН1 - датчик напряжения в трехфазном исполнении с каналами А, В, С измере- ния напряжений в соответствующих фазах; 21t 2о сумматоры; POg - реагирующие органы; РГ - реле газовое; ВО (, ВО - выходные органы; ОВВ1, ОВВ2 - органы вьщержки времени; ИОС - источник опорных сигналов для задания уставок по току, напря- жению, времени (на фиг„5 выделено в общий блок условно, предполагая ИОС как совокупность опорных цепей, разнесенных по соответствующим входам РО, ОВВ). МЦРЗ понижающего трансфор- матора содержит четыре типа автономных защит: дифференциально-токовую (ДТЗ) , газовую защиту (ГЗ) , макси- мально-токов: то защиту комбинированную (МТЗК)и максимально-токовзто за- щиту от перегрузки (МТЗП). Как видно из фиг.5 традиционная реализация МЦРЗ в соответствии с известным способом предусматривает использование 19 функциональных узлов о

На показана реализация защиты с теми же функциями, но выполненная в соответствии с предлагаемым способом с использованием коммутации отдельных структур защиты с помощью УКСо Настраиваемые ключи УКС, находящиеся в состоянии Включен и коммутирующие соответствующие горизонтали и вертикали УКС, обозначены точ- камИо Их совокупность образует оп- ределенный коммутационньш граф, реализующий ту же МЦРЗ, что изображена на фиг.5, однако в данном случае требуется уже не 19, а всего лишь 7 функциональных узлов, Тое. почти в 3 раза меньше о

На фиг.7 - 13 показаны связи внутри УКС для реализации соответствующих структур защиты, а также функциональные схемы последних о Общее количест- ВО структур оказывается равным семи (две структуры для реализации ДТЗ, одна структура для реализации МТЗ, три структуры для реализации МТЗК, одна структура для реализации ГЗ). Отметим, что превьш1ение числа структур над числом защит обусловлено многофазностью защищаемого объекта и пофазным выявлением коротких замыканий соответств тс1щими защитами. В

11 15

общем случае можно было бы обеспечить равенство числа структур числу защит за счет увеличения числа функциональных узлов, входящих в набор (в рассматриваемом примере необходимо было бы добавить логическую схему ИЛИ и дополнительньм сумматор).

На фиг.14 приведен общий вид бланка-задания на программирование коммутационного графа МЦРЗ, предусматривающего реализацию семи указанных структур. В бланке-задании предусмотрено семь строк (по числу программируемых структур) и 33 колонки по общему числу настраиваемых ключей УКСо Первые две цифры в четырехзначном коде номера ключа обозначают порядковый номер горизонтальной (начиная сверху, а другие две цифры - вертикальной шин УКС, на пересечении которых находится данный ключ. Знак + соответствует состоянию ключа Включено

На фиГо15 приведена функциональная схема УУо Правила коммутации, хранящиеся в ПЗУ (содержимое бланка-задания) поступают на управляющие входы устройства настройки ключей УНК, выходы которого соединены с управляемыми цепями настраиваемых ключей УКС. Смена коммутируемых структур производится выборкой очередного коммутационного графа из ПЗУ по команде от таймера То Бремя между очередными командами таймера Т определяет длительность существования сформированной структуры. Замораживание соответствующей структуры производится блокирующим устройством Бл, цепи управления которого подключены посредством УКС к РО,, Бл задерживает поступление следующей команды таймера Т на ПЗУ на время нахождения РО в сработанном состоянии.

Реализация УУ для сложных МЦРЗ может быть осуществлена с помощью микропроцессора, В простейших случаях УУ может быть выполнено в виде устройства на жесткой логике На фиг.16 в качестве примера приведена схема такого устройства УНК представляет собой диоднлдо матрицу, содержащую I7 диодов Таймер Т состоит из генератора тактовых импульсов ГТИ и счетчика Счо Блокирующее устройство Бл содержит триггер Тг, логическую схему ИЛИ и управляемый ключ Кп. ПЗУ представляет собой совокупность дешифратора

7 12

D и системы шин (1-7), соединенных с УНК. Выходы УУ, являющиеся выходами УНК, подключены к управляемым цепям настраиваемых ключей УКС.

Устройство УУ работает следующим образом

В нормальном режиме Кл открыт и тактовые импульсы с ГТИ поступают на

вход Сч. В соответствующие моменты времени на входе дешифратора D возникают заданные коды. В эти моменты последовательно возбуждаются определенные выходные шины дешифратора D

(начиная с первой), что приводит к включению соответствующих ключей УКС. Вид этого кода определяет время между очередными перекоммутациями, а значит, время существования структур

ансамбля После возбуждения последней шины (в данном примере седьмой) первый цикл работы МЦРЗ завершается После этого происходит сброс счетчика Сч в исходное состояние и начинается второй цикл. Описанньш процесс иллюстрируется временной диаграммой на фиг.17, из которой можно оценить время существования как отдельных структур (I-VII), так изащит в це лом, соответственно Ьмтзп -мтзк -г2. Р коротком замыкании после срабатьшания соответствующего РО защит, работающих на отключение, через схему ИЛИ устройства Бл поступает сигнал, размыкающий управляемьй ключ Кл. При этом на время нахождения РО в сработанном состоянии код На входе D фиксируется, что приводит к замораживанию сформированной к

этому моменту структуры защиты

При ненормальных режимах после срабатьгоания РО защит, работающих на сигнал (в рассматриваемом примере защита МТЗ), происходит срабатывание

триггера Тг, формирующего сигнал, который проходит через схему ИЛИ и также приводит к размьшанию ключа Кл и замораживанию сформированной структуры вплоть до задаваемого органом

50

вьщержки времени момента вьщачи сигнала Sig о выявленном ненормальном режиме

Следует отметить, что задание ус- тавок для формируемых структур осуществляется ИОС в моменты перекоммутации по сигналам, поступающим из ПЗУ (фиг.15 и 16)о Вид этих сигналов (цифровой код, уровень напряжения

1 схемной реализа

и др„) определяется цией ИОС.

Устройство УКС, ПЗУ, УУ могут быть выполнены на одной печатной плате, содержащей 20-40 корпусов интегральных схем малой и средней степени интеграции или нескольких интегральных схем большой степени интеграции (БИС).

Таким образом, реализация МЦРЗ по предлагаемому способу обеспечивает повьппение надежности защиты за счет повышения помехозащищенности и существенного сокращения числа функциональных узлов (не менее, чем в 2 - 3 раза), причем достигаемый при этом положительный эффект оказывается тем большим, чем сложнее МЦРЗ.

Наиболее целесообразно использование предлагаемого способа для за- цщты сложных и особо ответственных электрических систем, в частности автономных, отказы защиты которых мо гут привести к большому ущербу.

Формула изобретения

Способ многофункциональной центра лизованной защиты электрических систем от коротких замыканий, основанный на предварительной декомпозиции объектов на отдельные зоны, контроле состояния защищаемых зон по режим- ным параметрам и алгоритмам выявления коротких замыканий, формировании команды на отключение защищаемых зон при возникновении в их пределах короткого замыкания того или иного ви- да, причем упомянутые операции контроля и формирования команды отключения осуществляются с помощью N типов функциональных узлов различного назначения, образующих систему из А

14

10

5

0

5

0 5 0 5

структур защиты, каждая из которых реализует соответствующий алгоритм выявления одного или нескольких видов короткого замыкания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем сокращения общего количества функциональных узлов, состав последних формируют в виде набора функциональных узлов

Н |зирд п, , . .. ,зигАП , ,. . .зирдПц ,

где п ; - число функциональных узлов i-ro типа, необходимых для построения j-й структуры защиты, i 1,..,,N; j 1,.о.,А, а систему защиты образуют непосредственно в процессе контроля повторяющимися во времени циклами, внутри каждого из которых поочередно формируют все А структуры защиты путем периодической коммутации соответствуюп1;их функциональных узлов по заранее заданным правилам, обеспечивающим переход от одной структуры защиты к очередной структуре, а после образования каждой структуры производят с ее помощью анализ состояния защшцаемых зон и проверку по одному из указанных алгоритмов вьтол- нения условий, свидетельствующих о возникновении короткого замыкания в пределах контролируемых зон,на время соблюдения этих условий дальнейшие перекоммутации функциональных узлов задерживают, затем формируют команду на отключение поврежденной зоны, причем период повторения каждой структуры в нормальных режимах функционирования контролируемых зон выбирают много меньшим суммарного времени анализа их состояния и времени, необходимого для реализации алгоритма выявления короткого замыкания самой быстродействующей структурой, входя- щей в систему защиты

T«tcpH

1 I т I II т I

1513567 K.3.

РагЛ

ПОкб

11

т I // /// /

110к6

6-10 Kg

Всего: 1 (рункциоиальн1 1)с уз/foB

Фиг. 6

Ш структура (МТЗп)

От )Т2 0-

SM

Уставка от

В УКС Вклн}чено

с „ -

5 ключей

.f

1719 If

г

1516 19

кУУ

SL

Фиг. 12

Ж структура (ГЗ)

НВ2 В У КС включено 4 к/1юча

Фиг. 13

кШ

П18

23

11

15

I t

НУУ

Фиг. 1

к У КС ffm РО

0us.i5

5

Оо

,tA,

I I

2 3

f 5

4t,

14л1

Д

4t

t4

Ж

йЬ

iA

&t

Ч

7

I -i

I I

iST3 . fiTjfi гз

T((/7)

i

IT I

Ш

Г|

I t

й

i4 ж

1

Z HUKft

fpuz.f7