Способ токовой защиты



Способ токовой защиты
Способ токовой защиты
Способ токовой защиты
Способ токовой защиты
Способ токовой защиты

 


Владельцы патента RU 2531260:

Клюкин Александр Николаевич (RU)
Куликов Александр Леонидович (RU)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системной автоматике и релейной защите. Технический результат - создание способа токовой защиты, обладающего высокой селективностью. Поставленная задача достигается способом токовой защиты, заключающимся в срабатывании токовой защиты при превышении величиной, зависящей от тока в месте ее включения, уставочного значения, уставочное значение выбирают с учетом моделирования или статистических расчетов эквивалентных схем в рабочем режиме и режиме короткого замыкания. Согласно предлагаемому способу наряду с амплитудой используют фазу тока, а величину, сравниваемую с уставочным значением, и само уставочное значение получают из отношения логарифмов совместных плотностей вероятности амплитуды и фазы тока в рабочем режиме и режиме короткого замыкания. 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системной автоматике и релейной защите.

Известны токовые защиты, реагирующие на ток в защищаемом объекте. Принципы действия таких защит, варианты исполнения реле тока на электромагнитном принципе, а также с помощью средств вычислительной техники можно найти практически в любом учебнике по релейной защите электроэнергетических систем.

Известно, что наряду с амплитудой тока, характеризующей аварийный режим, в качестве информационного признака может выступать фаза тока [Например, Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 312 с]. Однако схемные решения, сочетающие измерения как амплитуды, так и фазы тока для повышения эффективности (например, селективности) релейной защиты, авторам не известны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ токовой защиты [Патент РФ №2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. №13], заключающийся в срабатывании токовой защиты при превышении величиной, зависящей от тока в месте ее включения, уставочного значения. Уставочное значение выбирают с учетом статистических распределений рабочего тока и тока короткого замыкания, полученных по результатам моделирования или статистических расчетов эквивалентных схем.

Недостатком такого способа токовой защиты является низкая селективность.

Статистический подход, применяемый в способе-прототипе, можно использовать для построения токовой защиты, сочетающей информацию об амплитуде и фазе тока, для выявления аварийных режимов в защищаемом объекте.

При этом проводится имитационное моделирование работы электроэнергетических объектов в рабочих режимах и в условиях возникновения коротких замыканий. Формируются совместные статистические распределения амплитуды и фазы тока для рабочего ppaб>(I, φ) и аварийного p(I, φ) режимов. Принятие решения на срабатывание релейной защиты осуществляется в соответствии с критерием отношения правдоподобия

Λ ( I , ϕ ) = p а в ( I , ϕ ) p р а б ( I , ϕ ) Λ 0 ,

где ppaб>(I, φ), p(I, φ) - плотности вероятности совместного распределения амплитуды и фазы тока соответственно в аварийном и рабочем режимах; Λ0 - пороговое (уставочное) значение.

Например, при нормальном (Гауссовском) законе распределения вероятностей в рабочем и аварийном режимах имеем

p р а б ( I , ϕ ) = 1 2 σ I р а б 2 σ ϕ р а б 1 ρ 2

exp { 1 2 ( 1 ρ 2 ) [ ( I I ¯ р а б ) 2 σ I р а б 2 2 ρ ( I I ¯ р а б ) ( ϕ ϕ ¯ р а б ) σ I р а б σ ϕ р а б + ( ϕ ϕ ¯ р а б ) 2 σ ϕ р а б 2 ] } ;

p а в ( I , ϕ ) = 1 2 σ I а в 2 σ ϕ а в 1 ρ 2

exp { 1 2 ( 1 ρ 2 ) [ ( I I ¯ р а б ) 2 σ I а в 2 2 ρ ( I I ¯ а в ) ( ϕ ϕ ¯ а в ) σ I а в σ ϕ р а б + ( ϕ ϕ ¯ а в ) 2 σ ϕ а в 2 ] }

где Īраб, σ I р а б 2 , Īав, σ I а в 2 - соответственно математические ожидания и дисперсии амплитуды токов в рабочем и аварийном режимах; ϕ ¯ р а б , σ I р а б 2 , ϕ ¯ а в , σ I а в 2 - соответственно математические ожидания и дисперсии фазы токов в рабочем и аварийном режимах; ρ - коэффициент корреляции между значениями амплитуды и фазы токов.

Для введенных ppaб(I, φ) и pав(I, φ) отношение правдоподобия будет выглядеть следующим образом

Λ ( I , ϕ ) = σ I р а б σ ϕ р а б σ I а в σ ϕ а в exp { 1 2 ( 1 ρ 2 ) [ ( I I ¯ р а б ) 2 σ I р а б 2 2 ρ ( I I ¯ р а б ) ( ϕ ϕ ¯ р а б ) σ I р а б σ ϕ р а б +

( ϕ ϕ ¯ р а б ) 2 σ ϕ р а б 2 ( I I ¯ а в ) 2 σ I а в 2 + 2 ρ ( I I ¯ а в ) ( ϕ ϕ ¯ а в ) σ I а в σ ϕ а в ( ϕ ϕ ¯ а в ) 2 σ ϕ а в 2 ] } = σ I р а б σ U р а б σ I а в σ U а в

exp { 1 2 ( 1 ρ 2 ) [ I 2 ( 1 σ I р а б 2 1 σ I а в 2 ) + I ( 2 I ¯ р а б σ I р а б 2 + 2 ρ ϕ ¯ р а б σ I р а б 2 σ ϕ р а б 2 + 2 I а в σ I а в 2

2 ρ ϕ ¯ а в σ I а в 2 σ ϕ а в ) + I ϕ ( 2 ρ σ I р а б 2 σ ϕ р а б 2 + 2 ρ σ I а в 2 σ ϕ а в 2 ) + ϕ ( 2 ρ I ¯ р а б σ I р а б 2 σ ϕ р а б 2

2 ϕ ¯ р а б σ ϕ р а б 2 2 ρ I ¯ а в σ I а в σ ϕ а в + 2 ϕ ¯ а в σ ϕ а в 2 ) + ϕ 2 ( 1 σ ϕ р а б 2 1 σ ϕ а в 2 ) + ( I р а б 2 σ I р а б 2 2 ρ I ¯ р а б ϕ ¯ р а б σ I р а б σ ϕ р а б +

+ ϕ ¯ р а б 2 σ ϕ р а б 2 I ¯ а в 2 σ I а в 2 + 2 ρ I ¯ а в ϕ ¯ а в σ I а в σ ϕ а в ϕ ¯ а в 2 σ ϕ а в 2 ) ] } .

Введем обозначения для упрощения записи

a = 1 σ I р а б 2 1 σ I р а б 2 ; b = 1 σ ϕ р а б 2 1 σ ϕ р а б 2 ;

c = 2 I ¯ р а б σ I р а б 2 + 2 ρ ϕ ¯ р а б σ I р а б σ ϕ р а б + 2 I ¯ а в σ I а в 2 2 ρ ϕ ¯ а в σ I а в σ ϕ р а б ;

c = ρ σ I р а б 2 σ I р а б 2 + 2 ρ σ I а в 2 σ I а в 2 ;

e = 2 ρ I ¯ р а б σ I р а б σ ϕ р а б 2 ϕ ¯ р а б σ ϕ р а б 2 2 ρ I ¯ а в σ I а в σ ϕ а в + 2 ϕ ¯ а в σ ϕ а в 2 ; f = 1 2 ( 1 ρ 2 ) ;

тогда

Λ ( I , ϕ ) = σ I р а б σ ϕ р а б σ I а в σ ϕ а в exp { 1 2 ( 1 p 2 ) [ a I 2 + c I + d I ϕ + e ϕ + b ϕ 2 +

+ ( I ¯ р а б 2 σ I р а б 2 2 ρ I ¯ р а б ϕ ¯ р а б σ I р а б σ ϕ р а б + ϕ ¯ р а б 2 σ ϕ р а б 2 I ¯ а в 2 σ I а в 2 + 2 ρ I ¯ а в ϕ ¯ а в σ I а в σ ϕ а в + ϕ ¯ а в 2 σ ϕ а в 2 ) ] } .

Следует отметить, что выражение в круглых скобках является постоянным коэффициентом, так как не зависит от измеряемых параметров I, φ.

Прологарифмировав выражение для Λ(I, φ), переходим к правилу принятия

решения токовой защитой на основе логарифма отношения правдоподобия, состоящего в сравнении величины

l(I, φ=f·(a·I2+c·I+d·I·φ+е·φ+b·φ2)

с пороговым (уставочным) значением

l 0 = ln Λ 0 ( I ¯ р а б 2 σ I р а б 2 2 ρ I ¯ р а б ϕ ¯ р а б σ I р а б σ ϕ р а б + ϕ ¯ р а б 2 σ ϕ р а б 2 I ¯ а в 2 σ I а в 2 + 2 ρ I ¯ а в ϕ ¯ а в σ I а в σ ϕ а в + ϕ ¯ а в 2 σ ϕ а в 2 )

ln ( σ I р а б σ ϕ р а б σ I а в σ ϕ а в ) .

Значения Īраб, σ I р а б 2 , ϕ ¯ р а б , σ ϕ р а б 2 , Īав, σ I а в 2 , ϕ ¯ а в , σ ϕ а в 2 , ρ могут быть получены как по результатам имитационного моделирования и реализации модельных экспериментов, так и с помощью статистических расчетов эквивалентных схем нормального (рабочего) и аварийного режимов. При статистических расчетах вместо фиксированных параметров эквивалентных схем задают случайные переменные электрических величин.

Задача изобретения - создание способа токовой защиты, обладающего высокой селективностью.

Поставленная задача достигается способом токовой защиты, заключающимся в срабатывании токовой защиты при превышении величиной, зависящей от тока в месте ее включения, уставочного значения, уставочное значение выбирают с учетом моделирования или статистических расчетов эквивалентных схем в рабочем режиме и режиме короткого замыкания. Согласно предлагаемому способу наряду с амплитудой используют фазу тока, а величину, сравниваемую с уставочным значением, и само уставочное значение получают из отношения логарифмов совместных плотностей вероятности амплитуды и фазы тока в рабочем режиме и режиме короткого замыкания.

Для технической реализации способа воспользуемся выражениями логарифма отношения правдоподобия l(I, φ) и уставочного значения L0.

Вариант структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ в цифровых терминалах релейной защиты, приведен на фиг.1

Устройство (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы; первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7, шестой 8 и седьмой 10 умножители; сумматор 9 и схему сравнения 11.

Вход первого квадратора 1 объединен с первыми входами первого 3 и третьего 5 умножителей и является первым входом устройства. Вход второго квадратора 2 объединен со вторым входом первого умножителя 3 и первым входом пятого умножителя 7 и является вторым входом устройства. Вход второго умножителя 4 соединен с выходом первого квадратора 1, вход четвертого умножителя 6 соединен с выходом первого умножителя 3, вход шестого умножителя 8 соединен с выходом второго квадратора 2. На вторые входы второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей подаются постоянные коэффициенты соответственно а; с; d; е; Ь. Выхода второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к первому входу умножителя 10, на второй вход которой подается постоянный коэффициент f. Выход шестого умножителя 10 подключен к первому входу схемы сравнения 11, на второй вход которой подается пороговое (уставочное) значение l0. Выход схемы сравнения является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства подают цифровые значения амплитуды и фазы тока (обработка производится для отдельной фазы). Таким образом, перед подачей на вход устройства, реализующего предлагаемый способ защиты, над током проводились следующие операции обработки: аналоговая фильтрация низких частот; аналого-цифровое преобразование; цифровая фильтрация отсчетов тока (например, по алгоритму дискретного преобразования Фурье); цифровое детектирование (вычисление абсолютного (модульного) значения); вычисление фазы сигнала. Как правило, исходя из поступающих на вход мгновенных значений, традиционно рассматриваются структуры цифровой токовой защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.178, рис.4.10].

При реализации устройства (фиг.1) предварительно по полученным в результате моделирования (или статистических расчетов эквивалентных схем) значениям Īраб, σ I р а б 2 , Īк.з., σ I к . з . 2 , ϕ ¯ р а б , σ ϕ р а б 2 , ϕ ¯ к . з . , σ ϕ к . з . 2 , ρ производится расчет постоянных коэффициентов а; с; d; е; b; f, а также выбор уставочного (порогового) значения l0.

Отметим, что выбор уставочного значения l0 может быть осуществлен и на основе данных моделирования. Поясним это положение примером.

При моделировании был выбран участок сети 100 кВ Нижегородской энергосистемы (фиг.2). Имитационная модель участка сети 110 кВ реализовалась в программном комплексе MATLAB, и изменяемые параметры модели, а также диапазоны их изменения, приведены в таблице 1.

Таблица 1
Изменяемые параметры участка сети 110 кВ
Объект Параметр Диапазон изменения
Источник питания Напряжение на шинах питающей ПС, кВ 104,5-115,5
Частота тока, Гц 49,8-50,2
Угол передачи, град 30-70
Активное сопротивление, Ом 0,65-0,95
Индуктивность, мГн 6-8
ВЛ Удельное активное сопротивление, Ом/км 0,19-0,26
Удельная индуктивность, мГн/км 1,2-1,4
Удельная емкость, нФ/км 8,8-9,2
Тран-р Активное сопротивление, Ом 14-16
Индуктивность, Гн 0,35-0,39
Активное сопротивление цепи намагничивания, МОм 1,1-1,4
Индуктивность цепи намагничивания, Гн 720-760
Потребители Нагрузка, МВА 20-30,5
cos(φ) 0,75-0,95

Имитировались междуфазные замыкания за трансформатором (Т5) в условия изменения параметров сети (фиг.2). По результатам моделирования строились совместные распределения вероятностей токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах pраб(I, φ), pав(I, φ). Пример сечения этих плотностей вероятностей pраб(I, φ), pав(I, φ) по осям амплитуды и фазы тока приведены на фиг.3 и фиг.4. Анализ фиг.3, 4 свидетельствует, что значения как амплитуды тока, так и фазы тока в рабочих и аварийных режимах расположены в пересекающихся диапазонах, что свидетельствует о невозможности построения селективной токовой защиты. Действительно, как бы ни выбирались уставочные значения (фиг.3, 4) по амплитуде (Icp) и фазе (φcp) тока, совмещение рабочих и аварийных режимов приводит к вероятностям излишнего срабатывания (Ризл) или отказам в срабатывании (Ротк).

Однако распределение вероятностей p(L) статистики (фиг.5)

l = f ( a I 2 + c I + d I ϕ + e ϕ + b ϕ 2 ) + ( I ¯ р а б 2 σ I р а б 2 2 ρ I ¯ р а б ϕ ¯ р а б σ I р а б σ ϕ р а б + ϕ ¯ р а б 2 σ ϕ р а б 2

I ¯ а в 2 σ I а в 2 + 2 ρ I ¯ а в ϕ ¯ а в σ I а в σ ϕ а в + ϕ ¯ а в 2 σ ϕ а в 2 ln ( σ I р а б σ ϕ р а б σ I а в σ ϕ а в ) ,

полученное по результатам моделирования примера (фиг.3, 4), свидетельствует об однозначном разделении аварийного и рабочего режимов и возможности построения селективной токовой защиты. В качестве уставочного (порогового) значения может быть, например, выбрано l0=0, а процедура сравнения сводится к определению знака статистики l. Достижение положительного эффекта, повышения селективности, обеспечивается более полным использованием информации, заключенной в значениях амплитуды и фазы тока, а также в их взаимосвязи (коэффициенте корреляции).

После расчета требуемых для функционирования величин Īраб, σ I р а б 2 , Īк.з., σ I к . з . 2 , ϕ ¯ р а б , σ ϕ р а б 2 , ϕ ¯ к . з . , σ ϕ к . з . 2 , ρ, а также уставочного значения l0 устройство токовой защиты (фиг.1), реализующее предлагаемый способ, готово к работе. При поступлении на вход устройства дискретных значений амплитуды тока I и фазы тока φ устройство (фиг.1) реализует взвешенное суммирование

l(I, φ)=f·(а·I2+с·I+d·I·φ+е·φ+b·φ2).

В последующем значение 1(I, φ) сравнивается с уставкой (порогом) l0 для принятия решения о наличии аварийного режима на защищаемом объекте. Так, при 1(I, φ)≥l0 принимается решение о наличии аварийного режима, и защита срабатывает, в противном случае 1(1, φ)<l0 срабатывание защиты не происходит.

Приведенный в материалах заявки статистический принцип построения токовых защит и формирования уставочных значений справедлив не только для нормального, но и для других видов статистических распределений.

Способ токовой защиты, заключающийся в срабатывании токовой защиты при превышении величиной, зависящей от тока в месте ее включения, уставочного значения, уставочное значение выбирают с учетом моделирования или статистического расчета эквивалентных схем в рабочем режиме и режиме короткого замыкания, отличающийся тем, что наряду с амплитудой тока используют фазу тока, а величину, сравниваемую с уставочным значением, и само уставочное значение получают из отношения логарифмов совместных плотностей вероятностей амплитуды и фазы тока в рабочем режиме и режиме короткого замыкания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной коммутационной технике и может быть использовано для коммутации силовых энергетических цепей постоянного тока. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного питания, в том числе в преобразователях постоянного напряжения в постоянное.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах питания приборов с низким напряжением в качестве повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, например, в автомобильной технике, в телекоммуникационном оборудовании.

Конвертор // 2207695
Изобретение относится к преобразованию электрической энергии и может быть использовано в устройствах для преобразования постоянного напряжения (конверторах). .
Наверх