СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF PROTECTING POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в аппаратуре релейной защиты (РЗ), предназначенной для защиты высоковольтной линии электропередачи (ЛЭП) напряжением от 110 до 500 кВ при коротких замыканиях (КЗ).
Известен способ релейной защиты ЛЭП, описанный, например, в [1] или [2] как способ дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) - прототип, который реализован, например, в выпускаемых в настоящее время устройствах типа «ШЭ2607» производства НПП «ЭКРА», или «Бреслер ШЛ2604» производства «ИЦ «Бреслер», а также в ряде аналогичных устройств других производителей, широко применяемых в настоящее время для защиты линий на энергосетях РФ и стран ближнего зарубежья.
Указанные устройства - так называемые полукомплекты защиты - устанавливаются на противоположных концах участка защищаемой линии, каждое из них содержит терминал защиты и приемопередатчик, взаимодействующие как между собой, так и с полукомплектом защиты, находящимся на противоположном конце.
Способ согласно прототипу заключается в выполнении следующих действий.
1
2
0
1
2
На каждом из концов участка защищаемой линии, в терминале защиты, определяется момент КЗ. Терминал защиты вырабатывает сигнал манипуляции, который является определенным образом составленной композицией составляющих токов фаз трехфазной сети, называемых токами прямой (I), обратной (I) и нулевой (I) последовательностей [1]. В качестве такой композиции при формировании сигнала манипуляции берут сумму I+kI, где k - коэффициент пропорциональности.
В прототипе из сигнала манипуляции (аналогового) путем сравнения с порогом формируют дискретный сигнал манипуляции в виде меандра, который в течение периода напряжения сети (20 мс) принимает только два значения, соответствующих логической 1 или 0.
2
0
В момент КЗ, определяемого по скачку тока одной из упомянутых видов используемых последовательностей (чаще всего это I или I), вырабатывается сигнал «Пуск» и осуществляется запуск приемопередатчика, с помощью которого сигнал манипуляции в виде высокочастотного (ВЧ) амплитудно-манипулированного сигнала передается на противоположный конец защищаемого участка линии.
Одновременно таким же образом осуществляется запуск приемопередатчика противоположного конца, передающего ответный сигнал манипуляции от своего терминала защиты.
На каждом из концов защищаемого участка линии сигнал манипуляции, переданный посредством приемопередатчика на противоположный конец, сравнивается по фазе с сигналом манипуляции, выработанным от терминала защиты на данной стороне. По результатам этого сравнения определяют, в каком месте, по отношению к защищаемому участку, произошло КЗ - внутри защищаемого участка или вне его. При внутреннем КЗ линию отключают.
При этом фазы сравниваемых на приемных концах сигналов манипуляции (соответствуют логическим 1 и 0) согласуют таким образом, чтобы при внешнем КЗ фазы сравниваемых сигналов манипуляции были взаимно противоположны, тогда как при внутреннем КЗ они в большинстве случаев оказываются синфазными. При сравнении сигналов манипуляции (операция ИЛИ) при внешнем КЗ на всем периоде манипуляции (20 мс) результат операции сравнения равняется лог. 1. При внутреннем КЗ, когда сигналы манипуляции, по существу, повторяют друг друга, результат операции равняется лог. 1 только примерно половину периода. Измеряя длительность лог. 0 в течение периода частоты 50 Гц и сравнивая ее с установленным порогом (уставкой), выносят решение о внутреннем или внешнем КЗ. При внутреннем КЗ (длительность лог. 0 больше уставки) данный конец защищаемого участка линии должен быть отключен, а при внешнем КЗ (длительность лог. 0 меньше уставки) - отключения быть не должно.
Способ согласно по прототипу имеет, однако, ряд существенных недостатков.
Основные из них связаны с принципом передачи сигнала манипуляции.
Данный сигнал передают, как правило, путем амплитудной манипуляции высокочастотного (ВЧ) сигнала, в одной и той же полосе передачи и приема. Передача сигнала манипуляции в противоположных направлениях осуществляется на одной и той же частоте (или с небольшим сдвигом), т.е. на вход каждого приемопередатчика поступают два сигнала одной частоты - более мощный от своего и ослабленный от противоположного приемопередатчика. Более мощный сигнал своего приемопередатчика дополнительно растягивает длительность суммарного принятого сигнала, а с ним и длительность лог. 1. При большой величине ослабления (например, на длинных линиях) длительность лог. 1, принятого от противоположной станции сигнала, может быть существенно увеличена, в результате чего случившееся на линии внутреннее КЗ, с учетом уставки, может быть ошибочно принято за внешнее, и линия в нужный момент не отключится.
Другой недостаток - недостаточно высокое быстродействие, связанное с тем, что моменты появления лог. 0 в результате сравнения разности фаз сигналов манипуляции, происходят дискретно с частотой 50 Гц, что приводит к задержке формирования сигнала для отключения линии до 20 мсек.
Еще один недостаток связан с тем, что сигнал манипуляции передают, как правило, путем амплитудной манипуляции ВЧ сигнала, следствием чего является появление дополнительных спектральных составляющих вблизи полосы передачи, весьма значительных по величине, которые ограничивают чувствительность приемников, работающих на соседних частотах. В результате, для обеспечения надежной совместной работы различных приемопередатчиков приходится осуществлять разнос рабочих частот на достаточно большую величину, что приводит к дефициту частот, следствием которой становится уменьшение возможностей по резервированию защит, т.е. снижение общей системной надежности энергосистем.
Кроме указанных недостатков, приемник сигналов манипуляции для того, чтобы вносить минимум искажений при их приеме, должен иметь достаточно широкую полосу (больше 700-1000 Гц), что снижает его помехоустойчивость.
И, наконец, разделение полукомплекта защиты на две части: на терминал защиты, определяющий момент КЗ и вырабатывающий сигнал манипуляции, и на приемопередатчик, осуществляющий обмен сигналами манипуляции от противоположных концов и выполняющий их сравнение, - представляется искусственным и не только увеличивает его стоимость, усложняет эксплуатацию, снижает общую надежность, но и ограничивает выбор технических решений, т.к. на практике обе указанные части полукомплекта защиты проектируются и изготавливаются, как правило, разными производителями.
Задачей изобретения является повышение быстродействия работы релейной защиты, ее помехоустойчивости, уменьшения стоимости изготовления и эксплуатации, а также повышение общей системной надежности.
1
2
Поставленная задача решается благодаря способу защиты линии электропередачи, основанному на том, что в момент короткого замыкания на каждом из концов защищаемого участка линии электропередачи формируется композиционный сигнал фазы тока промышленной частоты (сигнал манипуляции) трехфазной электрической сети, протекающего через данный конец, и осуществляется обмен сигналами фаз тока между данными концами по каналу связи, а также осуществляется сравнение сигналов фаз тока на каждом из концов защищаемого участка линии электропередачи между собой и с установленным порогом, в результате чего формируется сигнал отключения линии, отличающемуся тем, что сигнал фазы тока формируют в виде выборочных значений (отсчетов) фазовых углов в дискретные моменты времени с заданной частотой дискретизации, используя выборочные значения (отсчеты) композиционного сигнала токов трехфазной электрической сети (сигнала манипуляции в виде суммы токов прямой и обратной последовательностей Iм=I+kI), где k - коэффициент пропорциональности), а сравнение выборочных значений фаз тока на каждом из концов защищаемого участка линии электропередачи между собой осуществляют в те же дискретные моменты времени.
Таким образом, суть изобретения заключается в том, что на каждом из концов защищаемого участка линии электропередачи (на электрической подстанции), в отличие от прототипа, измеряют, а затем и сравнивают между собой текущие (мгновенные) выборочные значения фаз сигналов манипуляции, отсчитываемые в дискретные моменты времени в угловых мерах (например, в градусах от 0 до 360°).
Технический результат заключается в том, что измерение и последующее сравнение полученных таким образом выборочных значений фаз сигналов манипуляции можно осуществлять с частотой дискретизации сигнала манипуляции. Данное значение частоты может быть гораздо выше (например, его можно принять равным 1000 Гц и выше), чем у прототипа, у которого аналогичное сравнение фаз может производиться с частотой, не превышающей значение частоты тока промышленной частоты (50 Гц).
Как следует из вышеприведенных рассуждений, предложенный способ позволяет существенно сократить время принятия решения о месте нахождения КЗ, т.к. время измерения выборочных значений фаз, а следовательно, и искомого рассогласования можно сократить с почти 20 мсек до значения, равного Т, например, до 1 мсек и менее.
Необходимо отметить, что для увеличения точности измерений выборочных значений (отсчетов) фазы один из вариантов реализации предложенного способа может включать еще и предварительную фильтрацию измеряемых отсчетов от гармоник сети, присутствующих в сети в той или иной степени и искажающих истинные значения отсчетов.
При этом необходимо принять во внимание, что значение одной из сравниваемых фаз нужно передавать по каналу связи, поэтому следует учесть еще дополнительное различие частотно-временных характеристик каналов измерения фаз сигналов манипуляции, например дополнительную временную задержку принимаемого сигнала, которую необходимо компенсировать, чтобы минимизировать ошибку сравнения. Эту компенсацию можно осуществить, установив дополнительно блок, имитирующий в собственном канале измерения фазы сигнала манипуляции частотно-временную характеристику канала связи.
Что касается передачи фазы сигнала манипуляции по каналу связи, то указанный способ предполагает два возможных варианта в зависимости от типа используемого канала связи.
Для передачи по цифровым каналам связи, включая оптоволоконные и оптоволоконные с мультиплексированием, текущие (мгновенные) значения фазы сигналов манипуляции выгоднее всего передавать в виде фазовых углов, представляющие собой цифровые отсчеты (числа) определенной разрядности, а сравнение фаз тока сигналов манипуляции на каждом из концов защищаемой линии осуществлять также при помощи данных отсчетов.
В ряде случаев, например при использовании цифровых телефонных каналов, цифровых каналов тональной частоты или мультиплексированных каналов типа Е0/Т0, передачу сигнала манипуляции можно осуществлять непосредственно в виде синусоидального сигнала (частотой 50 Гц).
При передаче по аналоговым телефонным или ВЧ каналам связи необходимо осуществлять преобразование сигнала манипуляции в модулированный аналоговый сигнал.
Для минимизации ширины полосы частот, используемой для передачи ВЧ сигнала, а также для повышения помехоустойчивости, наиболее выгодно использовать частотную модуляцию (ЧМ). Кроме того, использование ЧМ при передаче сигнала манипуляции характеризуется низким уровнем побочного излучения. А помехоустойчивость может быть дополнительно повышена путем уменьшения полосы частот.
сети
сети
Также, определение текущего значения фазы гармонического сигнала (в данном случае тока манипуляции Iм) можно осуществить путем измерения двух текущих значений (отсчетов) тока Iм1 и Iм2, если дополнительно известна частота сети (F=50 Гц) и временной промежуток (период Т) этих измерений. Например, если образовать сумму токов Iм1 и Iм2 и их разность, а затем поделить их с весовым коэффициентом tg(π*T*F), то получится значение, равное тангенсу угла α на момент Т/2. Итак, искомое значение текущей фазы α на момент Т/2 можно подсчитать по следующей точной формуле {1}:
Чем меньше выбрать в {1} период отсчетов Т, тем меньше будет задержка вычислений. Однако, при снижении периода взятия отсчетов Т на точность вычисления значений фазы относительно большее влияние будет оказывать точность измерения самих отсчетов.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены варианты устройства осуществления предложенного способа.
1
2
ϕ
ϕ
вых
вх
Согласно Фиг. 1 композиционный сигнал (сигнал манипуляции Iм=I+kI) поступает на вход полосового фильтра (1), настроенного на частоту сети переменного тока (50 Гц), где осуществляется его предварительная фильтрация. Выходной сигнал фильтра I поступает на вход измерителя фазы (2), где он повергается дискретизации с периодом Т, а по двум последовательным отсчетам I (Iм1 и Iм2) также с периодом Т вычисляются выборочные значения (отсчеты) фазы сигнала манипуляции. Полученное выборочное значение фазы поступает на блок модуляции (3), а после модуляции (кодирования) выходной сигнал U блока (3) поступает в канал связи. Кроме передающего устройства полукомплект канала связи должен содержать и приемное устройство. Приемное устройство представляет собой демодулирующее (декодирующее) устройство (4), на вход которого подключен сигнал U, поступающий по каналу связи от другого полукомплекта. Полученное после декодирования в блоке (4) значение текущей фазы тока композиционного сигнала (манипуляции) α2 другой подстанции поступает на первый вход вычитающего устройства (6), на второй вход которого поступают полученные в блоке (2) отсчеты фазы тока композиционного сигнала (манипуляции) своей подстанции α1, предварительно подвергнутые в блоке (5) преобразованию, имитирующему частотно-временные характеристики канала связи. Результат вычитания (α2-α1) с выхода блока (6) поступает на вход устройства порогового сравнения (7), где после сравнения с порогом Uпор выносится Решение о месте короткого замыкания (вне защищаемого участка ЛЭП или внутри его).
Использование для предлагаемого способа устройства, приведенного на Фиг. 1, особенно пригодно при использовании цифровых (оптических) каналов связи, т.к., по существу, передает измеренное цифровое значение текущей фазы сразу в виде цифрового отсчета.
вых
При использовании аналоговых каналов связи (высокочастотных) более пригодна реализация (устройство), функциональная схема которой приведена на Фиг. 2. Отличие ее только в том, что в канал связи передается сигнал U (аналоговый) после операции модуляции (амплитудной, частотной или др.) в блоке (3) выходного сигнала полосового фильтра (1). Также между первым входом вычитателя (6) и выходом демодулятора (4) (амплитудного, частотного или др.) необходимо дополнительно установить измеритель фазы (8), аналогичный измерителю фазы (2), вычисляющего текущую фазу композиционного сигнала (манипуляции) своей подстанции.
Описанные устройства могут быть построены на современных решающих устройствах: микропроцессорах с цифровой обработкой сигнала (ADSP2191, TMS320) или ПЛИС (Cyclone), причем упомянутые блоки для определения отчетов композиционного сигнала (манипуляции), а также модуляции, демодуляции, измеритель фаз, фильтры и т.п. могут быть реализованы в виде соответствующего программного обеспечения. Ввод сигналов в решающее устройство реализуется непосредственно с АЦП или по цифровой сети (Ethernet, IEC 61850). ВЧ канал связи осуществляется также известным способом: посредством линейного усилителя мощности 10…40 Вт, в диапазоне частот 20…1000 Гц с частотно-зависимой нагрузкой с номинальным сопротивлением 75 Ом. Оптоволоконные каналы связи могут быть организованы посредством широко применяемых SFP модулей, предназначенных для работы по одно- или многомодовому оптическому волокну с длиной волны 1550 нм или др. Цифровые мультиплексируемые каналы связи могут быть организованы по стандарту Е0/Т0, E1/T1, С37.94 и др.
Использованные источники информации
1. А.М. Федосеев, М.А. Федосеев. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: «Энергоатомиздат», 1992 с: ил.
2. Э.М. Шнеерсон. Цифровая релейная защита. М.: «Энергоатомиздат»,2007. 549 с.: ил.