СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА
METHOD OF RELAY PROTECTION OF POWER FACILITIY

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к релейной защите различных объектов в составе электрической сети. Это могут быть как линии электропередачи, так и трансформаторы. Предложение ориентировано на реализацию в микропроцессорных терминалах.
Микропроцессорная техника привела к развитию способов защиты и автоматики. Во-первых, появилась возможность применения моделей защищаемых энергообъектов как в отложенном времени для испытания и обучения защиты, так и в реальном времени, когда модель используется для преобразования наблюдаемых на объекте электрических величин - токов и напряжений [1-5]. Во-вторых, применение моделей удачно сочетается с возможностью объединения всей доступной информации о параметрах контролируемого энергообъекта и о его состоянии. Состояние объекта характеризуется всеми наблюдаемыми токами и напряжениями, записанными в двух режимах - текущем режиме короткого замыкания и предшествующем режиме, в котором находился объект до повреждения. Контролируется режим короткого замыкания в защищаемом энергообъекте (внутреннее повреждение). Короткое замыкание в электрической сети вне объекта (внешнее повреждение), как и нормальные режимы работы системы, объединяются понятием «альтернативные режимы». Имеется в виду, что они альтернативны контролируемым режимам. Релейная защита призвана избирательно относиться к режимам работы объекта, реагируя на контролируемые режимы и отсекая альтернативные. Наделить защиту свойством селективности помогает процедура обучения. В роли учителей выступают имитационные модели электрической сети, составной частью которой является защищаемый объект. Операции, реализующие процедуру обучения, наиболее полно представлены в способе [6], где используются имитационные модели двух типов. Первые воспроизводят режимы повреждения защищаемого энергообъекта, а вторые - альтернативные режимы электрической сети. Релейная защита распознает контролируемые режимы, отличая их от альтернативных режимов, с помощью эффективного приема преобразования информации в двумерные сигналы. Каждый двумерный сигнал отображается на своей плоскости. Он может быть вещественным двухкоординатным или комплексным. В первом случае имеется плоскость вещественных координат, во втором - комплексная плоскость. Собственно говоря, обучение происходит непосредственно на этих плоскостях. Множество режимов первой имитационной модели отображается на каждой плоскости в виде первой области. Точно так же режимы второй модели отображаются в виде второй области.
Обсуждаемый способ представляет процедуру обучения, но не оговаривает процедуру формирования двумерных сигналов, что сужает возможности его применения. Такая ситуация сложилась не случайно. Имеется проблема. В случае изменения структуры и (или) параметров электрической сети за пределами защищаемого энергообъекта возникает вопрос о переобучении защиты, что сложно выполнить в условиях эксплуатации.
Предлагаемый способ ставит цель устранить указанный недостаток прототипа и тем самым расширить функциональные возможности обучаемой релейной защиты. Для решения поставленной задачи требовалось отыскать такие двумерные сигналы и соответствующие операции их формирования, которые обеспечивали бы стабильные области отображения, практически не зависящие от сети вне защищаемого энергообъекта.
Поставленную задачу удалось решить благодаря применению специфической модели энергообъекта. Это передающая модель, действующая подобно многополюснику в режиме обратной передачи со входа на выход. В отличие от имитационной модели передающая модель воспринимает всю входную информацию, т.е. и токи, и напряжения, а преобразует ее в такие величины, которые способны создать в альтернативных режимах стабильные области отображения двумерных сигналов. Мало того, области альтернативных режимов не должны пересекаться с областями отображения контролируемых режимов. Передающие модели неповрежденных объектов способны обеспечить выполнение указанных требований благодаря двум своим свойствам. Первое - свойство адекватности модели объекту, наблюдаемому в альтернативных режимах, и неадекватности в контролируемых режимах, когда наблюдаемый объект реально поврежден. Второе - существование в адекватной модели простой взаимосвязи между напряжениями текущего и предшествующего режимов, если, конечно, текущий режим относится к категории альтернативных режимов.
Конкретно, поставленная цель достигается тем, что к совокупности операций, присутствующих в прототипе, добавлена новая совокупность операций, связанных с использованием передающих моделей неповрежденного энергообъекта. Известные признаки - это преобразование имеющейся информации в двумерные сигналы, отображаемые каждый на своей плоскости; обучение релейной защиты от двух имитационных моделей электрической сети, в составе которой имеется контролируемый энергообъект; модели воспроизводят принципиально различающиеся группы режимов: первая модель воспроизводит исключительно режимы повреждения самого объекта, а вторая - все прочие режимы, называемые альтернативными; раздельное отображение множества контролируемых и множества альтернативных режимов на плоскостях двумерных сигналов, отображения множеств представляют собой области, первые говорят о повреждении объекта, а вторые - о его исправности. Наконец, оговаривается временное условие наблюдения объекта - его токи и напряжения в местах наблюдения фиксируются в двух сменяющих друг друга режимах - предшествующем и текущем.
Новые признаки - это операции преобразования информации. Априорная информация об энергообъекте закладывается в его передающую модель, связывающую места наблюдения (входы модели) с ее выходом так, чтобы передача вход-выход характеризовала адекватность модели реальному объекту. В передающей модели обрабатывают наблюдаемые токи и напряжения. С выхода снимают напряжения, первые -в предшествующем режиме, вторые - в текущем. Двумерные сигналы формируют из каждой пары соответствующих друг другу первых и вторых напряжений. Наконец, условия срабатывания защиты. Их два, и они касаются отображений двумерных сигналов в реальном времени, когда защита, прошедшая обучение от имитационных моделей, работает с токами и напряжениями контролируемого энергообъекта. На плоскости каждого двумерного сигнала после обучения защиты отображаются две области - область срабатывания и область блокирования. Первая - отображение контролируемых режимов энергообъекта. Вторая - альтернативных режимов электрической сети. Для срабатывания защиты требуется, чтобы наблюдаемый режим отобразился во всех первых областях, но не во всех вторых областях. Если выполняется первое условие, это означает, что распознаваемая ситуация может быть как контролируемой, так и альтернативной. Окончательный ответ дает второе условие. Если наблюдаемый режим отобразится во всех без исключения вторых областях, то никаких сомнений в том, что наблюдаемый режим может оказаться альтернативным, не остается. Неважно, является он на самом деле таковым или нет. Сомнения в части принадлежности режима трактуются в пользу альтернативных режимов с тем, чтобы категорически исключить вероятность ложных срабатываний защиты. Селективность всегда была и остается важнейшим свойством релейной защиты, призванной распознавать аварийные ситуации на конкретном энергообъекте, не путая их с событиями в других частях электрической сети, а также с нормальными режимами.
В зависимых пунктах формулы изобретения детализируется выполнение передающей модели для различных энергообъектов. Для односторонне наблюдаемой линии электропередачи передающая модель выполняется в виде модели неповрежденной линии в пределах защищаемой зоны со входом в месте наблюдения и выходом в конце зоны. Это способ выполнения дистанционной защиты.
Линии электропередачи с ответвлениями нуждаются в защите дальнего резервирования. Способ реализации такой защиты предполагает выполнение передающей модели в виде модели неповрежденной линии с ответвлениями. Вход модели - место наблюдения, выход - конец линии.
Для защиты трансформаторов используются передающие модели в виде моделей неповрежденных обмоток со входом в месте наблюдения обмотки и выходом в месте подключения модели обмотки к ветви намагничивания трансформатора.
Наконец, детализируется процедура преобразования наблюдаемых величин в двумерные сигналы. Здесь это комплексные сигналы. Для перевода наблюдаемой величины в комплексную форму привлекают фильтр ортогональных составляющих. Тип фильтра зависит от характера наблюдаемого процесса. Величины периодического предшествующего процесса обрабатывают в стационарном фильтре, а величины текущего переходного процесса - в фильтре с нарастающим окном наблюдения, что придает релейной защите высокое быстродействие.
На фиг. 1 приведена структурная схема неповрежденной линии электропередачи как объекта одностороннего наблюдения, на фиг. 2 - ее передающая модель; на фиг. 3 - схема неповрежденной электропередачи с ответвлениями, на фиг. 4 - ее передающая модель; на фиг. 5 - неповрежденный двухобмоточный трансформатор; на фиг. 6 - его схема замещения в качестве предающей модели каждой из двух обмоток, на фиг. 7 и 8 - передающие модели каждой обмотки трансформатора; на фиг. 9 и 10 - фильтры ортогональных составляющих разного типа, фиг. 9 - стационарный фильтр, фиг. 10 - динамический произвольного порядка с нарастающим окном наблюдения.
s
s
При одностороннем наблюдении линии электропередачи 1 контролируемым объектом является зона защиты 2, т.е. не вся линия, а только часть ее. В зону защиты не входит остающаяся часть линии 1, а также две части 3 и 4 электрической сети. Контролируются режимы короткого замыкания в зоне защиты от места наблюдения 5 до конечной точки 6. Нормальные режимы работы сети, а также короткие замыкания вне зоны защиты представляют собой альтернативные режимы. На входе 5 линии 1 наблюдаются токи i и напряжения u, записываемые в векторной форме. Передающая модель 7 контролируемой зоны 2 связывает место наблюдения 5 и конец зоны 6. Вход 8 и выход 9 модели 7 соответствуют местам 5 и 6. Выходное напряжение  определяется в двух режимах:  - в предшествующем  - в текущем.
s
s
Линия электропередачи 10 тянется от начала 5 до конца 11. От нее отходят ответвления 12-14. В задачу защиты дальнего резервирования входит распознавание замыканий в ответвлениях. Это контролируемые режимы. Альтернативными будут нормальные режимы работы сети и замыкания в подсетях 3 и 4. Замыкание в самой линии 10 не относится к числу альтернативных, и отстраивать от таких замыканий защиту дальнего резервирования не требуется. Необходимо заметить, что эти замыкания распознаются защитами самой линии. Если они не сработали, а защита дальнего резервирования говорит о том, что имеет место замыкание на линии 10 или на ответвлениях 12-14, то правомерен вывод о том, что событие произошло на ответвлениях. Передающая модель 15 неповрежденной электропередачи 10, 12-14 преобразует наблюдаемые величины i, u в напряжение  на выходе 16, соответствующем концу линии 11.
1
1
2
2
μ1
μ2
Конструкция простейшего двухобмоточного трансформатора включает в себя магнитопровод 17, обмотки 18, 19, наблюдаемые на своих входах 20, 21. Фиксируются токи и напряжения i, u; i, u. В общей модели неповрежденного трансформатора входы 22, 23 соответствуют входам 20, 21 обмоток 18, 19. Ветви 24, 25 и 26, 27 представляют собой предающие модели этих обмоток. Нелинейная ветвь намагничивания 28 характеризует потери в магнитопроводе. Передающая модель 29 обмотки 18 выполнена со входом 30 и выходом 31. Вход 30 соответствует зажимам 20 обмотки 18, а выход 31 - зажимам ветви намагничивания 28. То же и передающая модель 32 обмотки 19, где вход 33 соответствует зажимам 23, а выход 34 вновь подводит к ветви намагничивания 28, но теперь уже с другой стороны. Отсюда, однако, не следует делать вывод, что выходные напряжения u и u моделей 29 и 32 совпадают. Дело в том, что эти модели действуют в предположении, что трансформатор не поврежден. Тогда они адекватны объекту. Но при повреждении это не так, следовательно, в текущем режиме .
пд
тк
Комплексная форма представления электрических величин унифицирует процедуру формирования двумерных сигналов. Преобразование совокупности отсчетов дискретной величины u(k) в комплексный сигнал  осуществляют фильтры ортогональных составляющих [7]. Здесь k - дискретное время, k=0 - начальный момент взятия отсчетов после короткого замыкания. Целесообразно применять для обработки разных процессов такие фильтры, которые отвечали бы характеру того или иного процесса. Для периодического предшествующего режима - фильтр 35 со стационарным окном наблюдения величины u(k), например, , где p - момент определения комплекса , N - число отсчетов на периоде частоты сети. Для обработки переходного процесса короткого замыкания предлагается применять иной фильтр 36 с нарастающим окном, начиная от двух отсчетов k=0, 1. Входной сигнал u(k) наблюдается при k=0, 1, …, а комплексный выходной сигнал  фильтра 36 появляется спустя начальный отсчет k=0.
s пд
s пд
s тк
s тк
s тк
s тк
s тк
s тк
s тк
s тк
Рассмотрим реализацию данного способа на примере дистанционной защиты линии электропередачи (фиг. 1, 2). Отсчеты токов и напряжений наблюдаются в предшествующем и текущем режимах: i(k), u(k); i(k), u(k). Величины предшествующего режима пропускаются через стационарный фильтр ортогональных составляющих 35 и преобразуются в комплексы , . Предполагается, что и передающая модель 7 также представлена в комплексной форме. Такая модель преобразует входные комплексы ,  в выходной комплекс . Что же касается величин текущего режима, то здесь возможны два варианта. Первый: входные величины i(k), u(k) пропускаются через динамический фильтр ортогональных составляющих 36, вследствие чего преобразуются в комплексы , . Далее используется та же комплексная передающая модель 7, что и для величин предшествующего режима. На выходе модели получается комплекс напряжения . Второй вариант исходит из того, что преобразование величин текущего процесса i, u следует проверить во временной области. Тогда передающая модель 7 представляет собой преобразователь отсчетов i(k), u(k) в отсчеты выходного напряжения , и лишь затем этот сигнал подвергается обработке в фильтре 36, обращаясь в комплекс .
Совершаемые преобразования универсальны. Передающие модели защит различных объектов выполняют разные операции, но формируют однотипный выходной сигнал, который в комплексной форме модифицируется по типу режима как  и .
Из двух комплексов формируется двумерный сигнал
где  - комплекс сформированного напряжения,  - в предшествующем режиме, - в текущем режиме,  - аварийная составляющая сформированного напряжения, k - дискретное время; комплекс  определен при k=1, 2, …, так как k=0 - момент взятия начального отсчета наблюдаемых величин текущего режима, а для начала работы фильтра ортогональных составляющих 36 требуется два отсчета. Пример такого фильтра дает следующий алгоритм [8]
где u(p), , - отсчеты входной величины фильтра 36,  - отсчеты выходной величины, α=2π/N, звездочкой отмечены сопряженные комплексы.
s
s
Защита дальнего резервирования (фиг. 3, 4) реализуется принципиально так же, как и рассмотренная выше дистанционная защита. Отличие только в том, что передающая модель выполняет преобразование наблюдаемых величин i, u в комплексы , , соответствующие концу неповрежденной линии 10 с учетом ответвлений 12-14, а не концу зоны защиты, как в случае дистанционной защиты.
Реализация защиты трансформатора (фиг. 5-8) отличается некоторым своеобразием, обусловленным тем, что осуществляется наблюдение всех обмоток, и, казалось бы, имеется даже избыток информации. Однако, на самом деле это не так. Одна из обмоток может быть отключена (режим холостого хода). Желательно довольствоваться результатами наблюдения каждой обмотки в отдельности и при этом располагать отстройкой от броска намагничивающего тока, возникающего вследствие насыщения магнитопровода 17. Кроме того, важно знать, в какой обмотке случилось короткое замыкание. Приведенные соображения объясняют, почему каждая из обмоток 18, 19 представлена собственной передающей моделью 29, 32, и выходные сигналы - напряжения  и  - формируются независимо друг от друга.
Круг приложений предлагаемого способа релейной защиты может быть расширен. Его универсальность имеет физическое объяснение, которое кроется в особых свойствах передающих моделей неповрежденных частей электроустановки вкупе со свойствами замера . Дело в том, что в предшествующем режиме напряжение в разных частях электрической сети различается в разных частях незначительно. Аварийные составляющие всех величин создаются одним и тем же источником, который представляет собой ЭДС, равную напряжению предшествующего режима и действующую в месте короткого замыкания через активное переходное сопротивление. Других источников аварийных составляющих не существует. Напомним, что передающая модель адекватна объекту при всех альтернативных режимах. Следовательно, во всех этих режимах составляющая  будет вызываться действием одного и того же источника . В результате двумерный сигнал  становится малозависимым от места замыкания сети, если только оно произошло вне контролируемого объекта. А так как передающая модель неадекватна объекту при внутренних замыканиях, то указанное свойство замера  утрачивается при повреждении объекта. Получается, что отображения замеров  при контролируемых и альтернативных режимах резко расходятся. Именно эта черта данного способа придает ему универсальность и высокую распознающую способность.
Источники информации
1. Патент РФ №2247456, МПК Н02Н 3/40, 2002.
2. Патент РФ №2248077, МПК Н02Н 3/40, 2002.
3. Патент РФ №22316780, МПК G01R 31 /08 Н02Н 3/40, 2006.
4. Патент РФ №2316871, МПК Н02Н 3/40, 2006.
5. Патент РФ №2316872, МПК Н02Н 3/40, 2006.
6. Патент РФ №2404499, МПК Н02Н 3/40, 2009 (прототип).
7. Лямец Ю.Я., Романов Ю.В., Зиновьев Д.В. Мониторинг процессов в электрической системе. 4.1. Преобразование, сегментация и фильтрация, 4.2. Цифровая обработка осциллограмм токов короткого замыкания. - Электричество, 2006, №10, с. 2-10; №11, с. 2-10.
8. Лямец Ю.Я., Романов Ю.В., Широкий М.Ю. Быстрое оценивание периодической составляющей тока короткого замыкания. - Электричество, 2012, №4,с. 9-13.