Способ релейной защиты энергообъекта

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения защиты любых энергообъектов с моделями любого типа и с произвольным объемом наблюдения объекта. Согласно способу входы объекта соответствуют входам модели. Чтобы активировать модель, на ее входы необходимо подать одну из наблюдаемых на соответствующем входе объекта величин. Наблюдению подлежат все входы и выходы, но необязательно полностью. Полному наблюдению подлежит как минимум один вход. Таким образом, наблюдение осуществляется «с избытком». Все входы и выходы разделяются на три группы. В первую группу включаются полностью наблюдаемые входы и выходы. Во вторую - наблюдаемые только по напряжению, в третью - только по току. Модель объекта активируется путем воздействия на первые и вторые входы и выходы модели источниками наблюдаемых напряжений, на третьи - источниками наблюдаемых токов. Определяют реакцию активированной модели на приложенные воздействия, причем в качестве реакции выделяют только токи первых входов и выходов модели. Определяют разностные сигналы как разности между токами, наблюдаемыми на первых входах и выходах объекта и соответствующими реакциями модели. Характеристики срабатывания защиты задают на основе замеров, формируемых с участием разностных сигналов. 9 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике. Под энергообъектом понимаются важнейшие элементы энергосистемы, такие как линии электропередачи, трансформаторы, а также отдельные части системы, наблюдаемые с разных сторон.

Известны способы релейной защиты, основанные на применении имитационной модели контролируемого объекта в его поврежденном состоянии [1-5]. Высокая сложность таких моделей объясняется тем, что место и параметры повреждения варьируются в широких пределах. Модели такого рода можно использовать для обучения релейной защиты, но не для включения в ее структуру и, следовательно, не для применения в реальном времени.

Иное дело, имитационная модель объекта в его неповрежденном состоянии. Значения ее параметров предопределены априорной информацией и режимом, предшествующим повреждению объекта. Такая модель может быть включена в структуру защиты, которая будет действовать по принципу контроля адекватности объекта и его модели [6]. Наиболее полно данный принцип реализован в техническом решении [7]. Его характерная черта - такое наблюдение объекта, которое может быть названо наблюдением «с запасом». Необходимо пояснить различие понятий «без запаса» и «с запасом». В первом случае набор наблюдаемых на объекте величин достаточен только для последующей активации его имитационной модели. Если объект не был поврежден, то активация означает воссоздание в его модели того режима, который имел место на объекте во время наблюдения. При наблюдении «с запасом» наблюдаемых величин хотя бы на одну больше, чем при наблюдении «без запаса».

В рассматриваемом техническом решении каждое место, где осуществляется наблюдение, наблюдается полностью - регистрируются и ток, и напряжение. В таком случае число наблюдаемых величин вдвое больше того, что достаточно для активации имитационной модели. На входы модели подаются наблюдаемые напряжения. Наблюдаемые токи остаются «в запасе» и используются для иной цели - сравнения с реакцией модели на приложенные напряжения.

Данное техническое решение ориентировано на решение узкой задачи - определение поврежденного фидера разветвленной электрической сети. Между тем, оно создает предпосылки для развития и обобщения способа с тем, чтобы он мог быть распространен на любые объекты электроэнергетики, коль скоро для каждого из них в их неповрежденном состоянии имеются имитационные модели. Необходимо снять ограничение - необходимость полного наблюдения каждого входа и выхода контролируемого объекта, как это предусмотрено в прототипе. Дело в том, что существует вероятность утраты информации о напряжении или токе в каком-либо месте объекта вследствие замыкания в измерительном трансформаторе напряжения или насыщения трансформатора тока.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа релейной защиты энергообъекта с использованием его имитационной модели. К модели не предъявляются какие-либо ограничительные требования. Она может быть как линейной, так и нелинейной. В последнем случае к ней неприменим принцип наложения, который играет принципиально важную роль в прототипе.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ релейной защиты дополнен операциями, придающими ему необходимую общность. Как и в прототипе, используют модель энергообъекта в неповрежденном состоянии. Активацию модели проводят путем воздействия на каждый ее вход и выход, соответствующие входам и выходам объекта, источником сигнала, равным наблюдаемой электрической величине, полученной по результатам наблюдения. Определяют реакцию модели на произведенное воздействие.

Первое обобщение заключается в том, что на каждый вход и выход модели может быть подано одно из двух - напряжение или ток. Соответственно, реакцией модели на этом входе станет противоположная величина - ток в первом варианте и напряжение во втором.

В предлагаемом способе полное наблюдение необходимо сохранить хотя бы на одном входе или выходе объекта. В итоге получается, что все входы и выходы разделяются с информационной точки зрения на три группы. Первая - те входы и выходы, которые наблюдают и по напряжению, и по току. Вторая - только по напряжению, третья - только по току. На входы и выходы модели воздействуют, как следствие, различными источниками. На входы и выходы первой и второй групп - источниками соответствующих наблюдаемых напряжений, а третьей группы - наблюдаемых токов. Реакцию модели фиксируют в виде токов на входах и выходах только первой группы, так как только в этих местах присутствует информация о токах объекта. Располагая токами объекта и реакцией модели, определяют разностные токи, которые затем преобразуют в замер релейной защиты в виде интегральной величины или изменяющейся во времени функции максимального из разностных токов. Задают уставку (порог срабатывания) по данному замеру и производят срабатывание защиты, если замер превышает уставку. Более оригинально задание областей срабатывания на плоскости, координатами которой служат непосредственно наблюдаемый и разностный токи.

На фиг. 1 в качестве примера показан энергообъект всего лишь с двумя входами, один их которых наблюдается полностью, по току и по напряжению, а второй - наполовину, только по напряжению. На фиг. 2-4 приведены результаты наблюдения объекта - осциллограммы трех электрических величин. На фиг. 5 показана имитационная модель неповрежденного энергообъекта, активируемая источниками напряжений, воздействующими на два ее входа. На фиг. 6, 7 сопоставлены кривые наблюдаемого тока и тока как реакции модели на приложенные напряжения; на фиг. 6 - для случая, когда объект не поврежден, а на фиг. 7 - когда поврежден. Именно для этого случая на фиг. 8 определен разностный ток. На фиг. 9 приведены области срабатывания релейной защиты на плоскости, одной из координат которой является наблюдаемый ток, а другой - разностный ток.

Произвольный объект 1 обладает двумя входами 2 и 3. На входе 2 в данном примере наблюдаются напряжение и ток u₁, i₁, а на входе 3 - только напряжение u₂. Осциллограммы наблюдаемого процесса короткого замыкания даны в предположении, что процесс носит волновой характер (фиг. 2-4). Имитационная модель 4 с двумя входами 5 и 6 полагается адекватной контролируемому объекту 1 при обязательном условии, что он не поврежден. Второе важное условие заключается в том, что для активации модели достаточно задать состояние ее входов 5 и 6, т.е. воздействовать на них источниками напряжений или токов (на один из входов можно подать напряжение, а на другой ток). Здесь принято, что вход 5 относится к первому типу (первая группа), вход 6 - ко второму (вторая группа), а входа или выхода третьей группы, где наблюдается только ток, в данном примере не имеется. Источники воздействия на модель 4 показаны в виде ЭДС 7 и 8, обозначенных как е₁ и е₂. Законы изменения этих источников задают на основе результатов наблюдения объекта: е₁(t)=u_1н(t), е₂(t)=u_2н(t). Наблюдаемый ток i_1н остается «в запасе».

Реакция модели 4 на произведенное воздействие может быть определена как на входе 5 - ток i_1м, так и на втором входе 6. Однако на втором входе 3 объекта 1 ток не наблюдался, и реакцию модели на втором входе 6 не с чем сравнивать, в связи с чем она не рассматривается.

Результаты сопоставления реакции модели i_1м(t) и осциллограммы непрерывного тока i_1н(t) (фиг. 4) принципиально зависят от того, поврежден ли объект. Если не поврежден, то модель 4 адекватна объекту 1, и ток i_1н(t) практически совпадает с получаемой реакцией модели i_1м(t) (фиг. 6). Разностный сигнал

будет находиться при этом на нулевом уровне. Если же объект 1 поврежден, то условие адекватности с ним модели 4 нарушится, токи i_1н(t) и i_1м(t) разойдутся (фиг. 7), и разностный сигнал i_1р(t) достигнет уровня, сопоставимого с уровнем тока i_1м(t) (фиг. 8).

В приводимом примере, когда имеется только одна разностная величина, о состоянии объекта говорят отображения взаимозависимостей: i_1р(i_1н) на плоскости с координатами i_1н, i_1р (фиг. 9). Характеристики срабатывания защиты в базисе мгновенных токов задаются на данной плоскости. В базисе комплексных величин, который пригоден для синусоидальных компонентов частоты сети, характеристика срабатывания может быть задана в плоскости комплексного отношения , где и - комплексы синусоидальных компонентов токов i_1р(t) и i_1н(t).

Терминал релейной защиты, действующей по предлагаемому способу, располагает моделью защищаемого объекта, что не представляет сложности для микропроцессорных защит, особенно если они входят в структуру автоматизированных систем управления энергообъектами. В функционировании защиты имеются специфические черты. Рассмотрим их на примере приведенных иллюстраций. Объект 1 наблюдается беспрерывно, ведется запись электрических величин u₁, t₁, u₂. В некоторый момент времени t₀ в системе, к которой принадлежит объект, происходит повреждение. На способе работы защиты это обстоятельство никак не сказывается: модель 4 находится под постоянным воздействием напряжений источников е₁(t) и e₂(t) (фиг. 5), а так как их достаточно для активации модели, то начальные условия в ней автоматически переходят от предшествующего режима к последующему. Модель 4 в момент смены режимов t₀ всегда обладает правильными начальными условиями, но адекватно отображать состояние объекта 1 она будет лишь в том случае, если повреждение произошло вне его (фиг. 6). Если повреждение случилось на самом объекте 1, то неадекватность проявится в том, что в модели 4 не учтено повреждение. К расхождению токов i_1н(t) и i_1м(t) приведет именно это обстоятельство. Расхождение токов приведет, в свою очередь, к срабатыванию защиты.

Во избежание путаницы необходимо заметить, что разностный ток i_1р(t) имеет иную природу, нежели хорошо известная аварийная составляющая тока короткого замыкания i_1ав(t), которая представляет собой разность между током текущего режима i_1тк(t), t≥t₀ и экстраполированным на время после короткого замыкания током предшествующего режима i_1пд(t), t<t₀. Если - экстраполированный ток, то

Для определения аварийной составляющей тока не требуется знание напряжений и не нужна модель объекта. Правда, присутствует трудновыполнимая операция экстраполирования. Но главное, в чем аварийная составляющая уступает разностной величине, - она не обладает селективностью, т.е. не способна выявить поврежденный объект в составе электрической системы.

В предложенном способе универсальность достигнута благодаря обнаружению особых свойств наблюдения энергообъекта, когда число наблюдаемых величин превышает число входов и выходов объекта и имеется возможность воспользоваться для решения задачи релейной защиты моделью объекта. Разумеется, такая возможность обеспечивается только современной микропроцессорной техникой.

Источники информации

1. Патент РФ №2316872, H02H 3/40, 2006.

2. Патент РФ №2404499, H02H 3/40, 2009.

3. Патент РФ №2444829, H02H 6/00, H02H 3/16, H02H 3/40, G01R 31/08, 2010.

4. Патент РФ №2450402, H02H 3/40, 2010.

5. Патент РФ №2553448, H02H 3/40, 2014.

6. Патент РФ №2516371, G01R 31/08, 2013.

7. Патент РФ №2572364, G01R 31/08, 2014.

Способ релейной защиты энергообъекта с использованием его модели в неповрежденном состоянии при наблюдении электрических величин на его входах и выходах, согласно которому воздействуют на входы и выходы модели объекта источниками наблюдаемых величин и определяют реакцию модели на произведенное воздействие, отличающийся тем, что по меньшей мере на одном входе или выходе энергообъекта наблюдают и напряжение, и ток, а на остальных входах и выходах наблюдают напряжение или ток, подразделяют входы и выходы на три группы, к первой относят те, где наблюдают и напряжение, и ток, ко второй - те, где наблюдают только напряжение, к третьей - те, где наблюдают только ток, на входы и выходы модели, относящиеся к первой и второй группам, воздействуют источниками соответствующих наблюдаемых напряжений, а на входы и выходы третьей группы воздействуют источниками соответствующих наблюдаемых токов, фиксируют реакцию модели в виде токов на входах и выходах первой группы, определяют разности между токами, наблюдаемыми на объекте на входах и выходах первой группы, и токами реакции модели на аналогичных входах и выходах, преобразуют разностные и соответствующие наблюдаемые токи в замер релейной защиты, задают область срабатывания защиты по данному замеру и производят срабатывание защиты в тех случаях, когда замер попадает в пределы заданной области.