УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ

Полезная модель 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 и напряжения на электромагнитном принципе, а также с помощью средств вычислительной техники, можно найти практически в любом учебнике по релейной защите электроэнергетических систем.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является устройство токовой защиты, реализующее способ [Патент РФ №2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. №13]. Устройство содержит квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход квадратора объединен с первым входом первого умножителя и является входом устройства, выход первого умножителя соединен с первым входом сумматора, ко второму входу сумматора подключен выход квадратора через второй умножитель, на вторые входы первого и второго умножителей подаются постоянные коэффициенты, выход сумматора подключен к первому входу схемы сравнения, на второй вход которого подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства.
Недостатком известного устройства является низкая селективность.
Для повышения селективности и чувствительности токовых защит используют дополнительную информацию о параметрах аварийного режима. Например, в некоторых схемах токовых защит дополнительно вводят контроль напряжения. В частности, измеряемые значения напряжения входят в состав алгоритмов функционирования комбинированных отсечек по току и напряжению, а также являются обязательными для обеспечения работоспособности направленных токовых защит [Например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита - М.: Энергоатомиздат, 2007. стр.197 - 206].
Если использовать значения тока и напряжения, а также подход, реализованный в [Патент РФ №2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. №13] и использующей в качестве информационной базы результаты имитационного моделирования работы электроэнергетических объектов в различных режимах и условиях возникновения коротких замыканий, то получим новое техническое решение. В этом случае принятие решения токовой защитой на срабатывание целесообразно реализовать с использованием критерия отношения правдоподобия, который для случая измеряемых тока и напряжения выглядит следующим образом
,
ав
раб
0
где p(I,U), p(I,U) - плотности вероятности совместного распределения тока и напряжения соответственно в аварийном и рабочем режимах; Λ - пороговое (уставочное) значение.
Следует отметить важную деталь такой защиты, состоящую в том, что критерий отношения правдоподобия предлагает лишь одно уставочное значение, хотя использует измерения значения как тока, так и напряжения.
В общем случае при нормальном (Гауссовском) законе распределения вероятностей в рабочем и аварийном режимах имеем
,
где , , ,  - соответственно математические ожидания и дисперсии токов в рабочем и аварийном режимах; , , ,  - соответственно математические ожидания и дисперсии напряжений в рабочем и аварийном режимах; ,  - коэффициенты корреляции между значениями токов и напряжений соответственно в рабочих и аварийных режимах.
При заданных  и  отношение правдоподобия будет выглядеть следующим образом
.
Для упрощения записи введем постоянные коэффициенты
; ; ;
; ; .
Тогда отношение правдоподобия может быть записано в виде
.
После несложных преобразований и группировок выражение для Λ(I, U) приводится к равенству
.
Прологарифмировав выражение для Λ(I,U), переходим к правилу принятия решения на основе логарифма отношения правдоподобия, состоящем в сравнении величины
с пороговым (уставочным) значением
.
Значения , , , , , , , , ,  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 таких расчетах вместо фиксированных параметров эквивалентных схем задают случайные переменные электрических величин.
Задача полезной модели - повышение селективности устройства токовой защиты.
Поставленная задача достигается полезной моделью устройства токовой защиты, содержащей первый квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход первого квадратора объединен с первым входом первого умножителя и является первым входом устройства, ко второму входу сумматора подключен выход первого квадратора через второй умножитель, второй вход второго умножителя является входом постоянного коэффициента, выход сумматора подключен к первому входу схемы сравнения, на второй вход которой подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства токовой защиты. Согласно предлагаемой полезной модели введены четыре умножителя и второй квадратор, причем первый вход устройства через третий умножитель подключен к первому входу сумматора, вход второго квадратора объединен со вторым входом первого умножителя и первым входом пятого умножителя и является вторым входом устройства, вход четвертого умножителя соединен с входом первого умножителя, вход шестого умножителя соединен с выходом второго квадратора, на вторые входы третьего, четвертого, пятого и шестого умножителей подаются постоянные коэффициенты, выход четвертого пятого и шестого умножителей соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами сумматора.
0
Для технической реализации устройства токовой защиты воспользуемся выражениями логарифма отношения правдоподобия l(I,U) и уставочного значения l.
Структурная схема устройства токовой защиты приведена на фиг.1.
Устройство (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы; первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 умножители; сумматор 9 и схему сравнения 10.
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 ; ; ; ; .
0
Выходы второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей соединены соответственно со вторым, первым, третьим, четвертым и пятым входами сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к первому входу схемы сравнения 10, на второй вход которой подается пороговое (уставочное) значение l. Выход схемы сравнения является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
На вход устройства подают цифровые значения модуля тока и модуля напряжения (мгновенных амплитуд отдельной фазы). Таким образом, перед подачей на вход устройства, над током и напряжением проводились следующие операции обработки: аналоговая фильтрация низких частот; аналого-цифровое преобразование; цифровая фильтрация отсчетов тока и напряжения (например, по алгоритму дискретного преобразования Фурье); цифровое детектирование (вычисление абсолютного (модульного) значения). Как правило, исходя из поступающих на вход мгновенных амплитудных значений, традиционно рассматриваются структуры цифровой токовой защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.178, рис.4.10].
a
0
При реализации устройства (фиг.1) предварительно по полученным в результате моделирования (или статистических расчетов эквивалентных схем) значениям , , , , , , , , ,  производится расчет постоянных коэффициентов (-d); ; ; (e-b); (c-f), а также выбор уставочного (порогового) значения l.
0
Отметим, что выбор уставочного значения l может быть осуществлен и на основе данных моделирования. Поясним это положение примером.
Для моделирования сформирован участок сети 110 кВ (фиг.2). Имитационная модель участка сети 110 кВ реализовалась в программном комплексе МАТLAB, 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
104-116
Частота тока, Гц
49,8-50,2
Угол передачи, град.
30-70
Активное сопротивление, Ом
0,57-0,98
Индуктивность, мГн
6,5-8
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 (Т1)
Активное сопротивление, Ом
4,1-4,6
Индуктивность, Гн
0,265-0,286
Активное сопротивление цепи намагничивания, МОм
0,65-0,75
Индуктивность цепи намагничивания, Гн
350-385
Потребители
Нагрузка, МВА
15-37
COS(ф)
0,75-0,95
раб
ав
раб
ав
cp
cp
изл
отк
Имитировались междуфазные замыкания за трансформатором (Т1) в условиях изменения параметров сети (фиг.2). По результатам моделирования строились совместные распределения вероятностей токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах p(I,U), p(I,U). Пример сечения этих плотностей вероятностей p(I,U) p(I,U) по осям тока и напряжения приведены на фиг.3 и фиг.4. Анализ фиг.3, 4 свидетельствует, что значения как токов, так и напряжений 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 току (I) и напряжению (U), совмещение рабочих и аварийных режимов приводит к вероятностям излишнего срабатывания (Р) или отказам в срабатывании (Р).
Однако распределение вероятностей р(l) статистики l (фиг.5) ,
0
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 l=0, а процедура сравнения сводится к определению знака статистики l. Достижение положительного эффекта, повышения селективности, обеспечивается более полным использованием информации, заключенной в значениях тока и напряжения, а также в их взаимосвязи (коэффициенте корреляции) в рабочем и аварийном режиме.
0
После расчета требуемых для функционирования величин , , , , , , , , , , а также уставочного значения l устройство токовой защиты (фиг.1), готово к работе. При поступлении на вход устройства дискретных модульных значений тока I и напряжения U устройство (фиг.1) реализует взвешенное суммирование
.
0
0
0
В последующем значение l(I,U) сравнивается с уставкой (порогом) l для принятия решения о наличии аварийного режима на защищаемом объекте. Так, при l(I,U)≥l принимается решение о наличии аварийного режима, и защита срабатывает, в противном случае l(I,U)<l срабатывание защиты не происходит.
Приведенный в материалах полезной модели статистический принцип построения токовых защит и формирования уставочных значений справедлив не только для нормального, но и для других видов статистических распределений.