СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И УНИВЕРСАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING RELAY PROTECTION SIGNALS AND UNIVERSAL DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Заявляемая группа изобретений относится к электроэнергетике, в частности к области высокочастотных (ВЧ) релейных защит линий электропередачи, и может быть использована в качестве универсального средства для оснащения ВЧ-каналов, позволяющих комплексно обеспечить требования к селективности и быстродействию ВЧ-защит, построенных на различной элементной базе и реализующих различные алгоритмы работы, в том числе:
- дифференциально-фазных защит (ДФЗ);
- направленных и дистанционных защит с ВЧ-блокировкой (ВЧБ);
- дистанционных и токовых защит с телеускорением;
- защит, использующих сигналы телеотключения.
Высокочастотные (ВЧ) каналы связи по линиям электропередачи остаются основным средством организации технологической связи для передачи сигналов ВЧ-защит и сигналов-команд автоматики противоаварийного управления. При учете комплекса показателей ВЧ-каналы оказываются наиболее эффективным решением, поскольку, при меньших затратах на реализацию обладают достаточно высокой надежностью и обеспечивают самые жесткие требования ко времени передачи сигнала.
Основными составляющими ВЧ-канала являются: оборудование присоединения (заградители с элементами настройки, конденсаторы связи, фильтры присоединения) и оконечная аппаратура, к которой относятся: приемопередатчики сигналов ВЧ-защит, а также устройства для передачи аварийных сигналов и команд, в том числе команд телеускорения (ТУ) или телеотключения (ТО).
Исключить возможность взаимного влияния ВЧ-каналов (множества существующих и вновь проектируемых) позволяет соблюдение принципа частотного разделения каналов. Оконечной (каналообразующей) аппаратуре в общем ВЧ-диапазоне выделяется определенная полоса частот для передачи и/или приема сигналов. Элементарная часть общего ВЧ-диапазона имеет ширину 4 кГц (Стандарт МЭК: IEC 60834-1:1999. Teleprotection equipment of power systems - performance and testing. Part 1: Command systems.).
Рациональному использованию общего ВЧ-диапазона способствует использование оконечной аппаратуры, занимающей только одну элементарную полосу частот (4 кГц) и
обеспечивающую возможность передачи нескольких сигналов разного назначения, причем возможность независимой, в том числе одновременной, передачи этих сигналов.
В общем случае, к релейной защите (РЗ), предъявляются технические требования по четырем основным критериям качества функционирования: селективности, быстродействию, чувствительности и надежности. В ряде случаев защита ВЛ должна действовать без замедления и с абсолютной селективностью. Защиты с абсолютной селективностью действуют на отключение только в том случае, когда повреждение возникло в пределах защищаемой зоны - участка электрической сети.
Высоковольтная линия (ВЛ) электропередач является участком электрической сети с двусторонним питанием и, как правило, ее защита осуществляется двумя идентичными полукомплектами устройств РЗ, размещенными на противоположных концах ВЛ.
Для обеспечения абсолютной селективности и максимального быстродействия защит линии электропередачи измерительные и логические части полукомплектов защиты должны получать информацию с другой стороны ВЛ по специальным каналам связи, среди которых ВЧ-каналы получили наибольшее распространение.
Все виды сигналов, передаваемых в каналах связи между полукомплектами РЗ противоположных концов защищаемой ВЛ, по своему назначению могут быть разделены на две основные группы.
К первой группе относятся сигналы, необходимые защите для определения места повреждения: в защищаемой зоне (в пределах ВЛ) или вне зоны, то есть для обеспечения селективного действия защиты.
Ко второй группе относятся сигналы, служащие повышению быстродействия защиты, а именно:
- разрешающие сигналы, прием которых служит в качестве дополнительного подтверждающего условия для формирования команды на отключение выключателя ВЛ;
- сигналы телеускорения (ТУ), прием которых сокращает необходимую выдержку времени для формирования команды на отключение выключателя ВЛ;
- сигналы телеотключения (ТО), прием которых служит единственным условием для формирования команды на отключение выключателя ВЛ вне зависимости от состояния полукомплекта защиты на данном конце ВЛ.
Для передачи сигналов первой группы используют приемопередатчики сигналов ВЧ-защит, работающие по ВЧ-каналу в выделенной полосе частот 2 кГц, а передача команд второй группы осуществляется устройствами передачи аварийных сигналов и команд по второму ВЧ-каналу, для которого должна быть выделена полоса частот 4 кГц. Такая схема передачи сигналов релейной защиты ВЛ обеспечивает возможность независимой, в том числе одновременной, передачи сразу двух команд (по одной из каждой группы), но при этом требуется организация двух каналов связи, что ведет к увеличению затрат на оборудование и нерациональному использованию разрешенного диапазона частот.
Из уровня техники известно устройство для передачи и приема сигналов релейной защиты по линиям электропередачи, состоящее из передатчика и приемника, причем передатчик содержит задающий генератор, блок управления, усилитель мощности и линейный фильтр, а приемник - входной фильтр, усилитель высокой частоты, преобразователь частоты, фильтр промежуточной частоты, детектор и выходной усилитель (патент №2007005 на изобретение «Устройство для передачи и приема сигналов релейной защиты по линиям электропередачи», дата подачи 13.10.1992 г., опубликовано 30.01.1994 г.).
Недостатки данного устройства обусловлены тем, что устройство способно передавать только один вид сигналов релейной защиты ВЛ, а именно сигналы первой группы, которыми обеспечивается селективность действия защиты. Для передачи сигнала телеускорения (ТУ), например, потребуется использовать дополнительный канал связи, оборудованный специализированной оконечной аппаратурой.
0
0
0
к
к
n
n
0
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ передачи и приема сигналов релейной защиты, включающий передачу блокирующего сигнала, контрольного сигнала и n-й команды, причем в отсутствие короткого замыкания передают сигнал с отклонением его частоты от частоты несущей (f) на величину (Δf), при пуске направленной защиты с высокочастотной блокировкой меняют знак отклонения частоты передаваемого сигнала от f на противоположный, при пуске дифференциально-фазной защиты передают двухпозиционный частотно-манипулированный сигнал с частотой (f±Δf), в отсутствие команд релейной защиты (Δf±F), где F - заданное значение сдвига частоты контрольного сигнала относительно несущей, при передаче n-ой команды (Δf=F), где (F) зависит от номера n-й команды, при этом принимают блокирующий сигнал путем определения знака отклонения частоты сигнала от f, а контрольный сигнал и n-ю команду - путем определения величины (Δf) (патент №2272348 на изобретение «Способ передачи и приема сигналов релейной защиты и устройство (варианты) для его осуществления», дата подачи 20.07.2004 г., опубликовано 20.03.2006 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство передачи и приема сигналов релейной защиты, содержащее подключенные к системной магистрали блок сопряжения, снабженный линейным входом и линейным выходом, блок входных цепей, блок выходных цепей и блок цифровой обработки, запрограммированный с возможностью формирования на линейном выходе блока сопряжения сигнала с частотой, отклоняющейся от частоты несущей на величину, зависящую от состояния входных цепей, и с возможностью изменения состояния выходных цепей в соответствии со знаком и абсолютной величины отклонения частоты сигнала на линейном входе блока сопряжения от частоты несущей, при этом устройство выполнено с возможностью сдвига по фазе сигнала цепи манипуляции и объединения сдвинутого по фазе сигнала с сигналом выходной цепи, соответствующим противоположному знаку отклонения частоты на линейном входе от частоты несущей (см. http://www.prosoftsystems.ru/products/product.htm?pid=294 Приемопередатчик сигналов релейной защиты АВАНТ РЗСК).
Недостатки известных решений связаны с использованием частотной манипуляции (ЧМн) несущей как для сигнала первой группы (сигналы, необходимые защите для определения места повреждения), так и для сигнала второй группы (сигналы, служащие повышению быстродействия защиты), что приводит к неоправданному расширению спектра формируемого для передачи модулированного сигнала. В результате этого усложняется схема тракта передачи устройства, реализующего данный способ, поскольку возникает необходимость в применении формирующего фильтра, ограничивающего спектр передаваемых сигналов, и мощного усилителя, предназначенного для работы в линейном режиме.
Кроме того, к недостаткам способа можно отнести существенное изменение уровня приема одного из сигналов в моменты начала и окончания передачи другого сигнала.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является оптимальное использование выделенной полосы рабочих частот, уменьшение степени взаимного влияния двух полезных сигналов при их одновременной передаче и детектировании в тракте приема, упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства.
1
n
0
Указанный результат достигается тем, что способ передачи и приема сигналов релейной защиты, включающий независимую, в том числе одновременную, передачу двух сигналов, один из которых обеспечивает селективность действия защиты и передается с несущей частотой: блокирующей или разрешающей, а другой сигнал, предназначенный для ускорения действия защиты, передается в виде n-команды или контрольного сигнала, при этом для обеспечения селективного действия релейной защиты с высокочастотной блокировкой (ВЧБ) осуществляют непрерывную передачу сигнала с одной из несущих частот: блокирующей или разрешающей, а при дифференциально-фазной защите (ДФЗ) сигнал передают манипуляцией этих частот, согласно изобретению вне зависимости от типа защиты ВЧБ или ДФЗ передачу сигнала ускорения действия защиты осуществляют посредством амплитудной модуляции любой из несущих частот: блокирующей или разрешающей, при этом каждой из n-команд ускорения действия защиты соответствует определенная частота модулирующего сигнала из общего набора заранее заданных частот F-F, а сигнал с частотой F выполняет функцию контрольного сигнала, при приеме интегральный сигнал, поступающий из ВЧ-канала, последовательно проходит через фильтр предварительной селекции и аналого-цифровой преобразователь, после чего поступает на входы двух приемников, один из которых принимает частотно-модулированный сигнал, другой - амплитудно-модулированный, при этом в каждом приемнике сигнал подвергается детектированию и фильтрации.
После цифровой обработки, гальванической развязки и преобразования к необходимым уровням напряжения выходные сигналы с обоих приемников поступают в терминал релейной защиты, где используются для обеспечения селективности и необходимого быстродействия ВЧ-защиты.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство передачи и приема сигналов релейной защиты для осуществления заявляемого способа включает присоединяемые через блоки сопряжения соответственно к терминалу релейной защиты и ВЧ-каналу усилительно-преобразовательный тракт передачи сигнала и усилительно-преобразовательный тракт приема интегрального сигнала, согласно изобретению усилительно-преобразовательный тракт состоит из блока синтеза частот, вырабатывающего амплитудно-модулированные и частотно-манипулированные сигналы, и связанного с ним через усилитель сигнала линейный фильтр, который соединен с дифференциальной системой, входящей также в состав усилительно-преобразовательного тракта приема сигнала и подключенной к ВЧ-каналу и фильтру предварительной селекции, который, в свою очередь, соединен с аналого-цифровым преобразователем, связанным с входами двух приемников, один из которых предназначен для приема сигналов ВЧБ/ДФЗ и в качестве которого используют детектор частотно-манипулированных сигналов, а второй приемник, в качестве которого используют детектор амплитудно-модулированных сигналов, служит для приема сигналов телеускорения/телеотключения, при этом каждый приемник подключен к соответствующему блоку сопряжения с терминалом релейной защиты.
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где
фиг. 1 - принципиальная схема универсального устройства передачи и приема сигналов релейной защиты, где
1 - блок сопряжения - интерфейс входов управления для сигналов ТУ/ТО;
2 - блок сопряжения 2 - интерфейс управления передачей сигналов ВЧБ/ДФЗ;
3 - блок синтеза частот - формирователь сигналов несущей и сигналов амплитудной модуляции;
4 - усилитель;
5 - линейный фильтр;
6 - дифференциальная система;
7 - фильтр предварительной селекции;
8 - аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
9 - детектор частотно-манипулированных (ЧМн) сигналов - приемник сигналов ВЧБ/ДФЗ;
10 - блок сопряжения с терминалом РЗ - формирователь результирующего сигнала ВЧБ/ДФЗ;
11 - детектор амплитудно-модулированных (AM) сигналов - приемник сигналов ТУ/ТО;
12 - блок сопряжения с терминалом РЗ - интерфейс реализации команд ТУ/ТО.
Заявляемое универсальное устройство (приемопередатчик) предназначено для передачи и приема сигналов релейной защиты ВЛ. На каждом конце ВЛ установлен терминал РЗ и приемопередатчик. Приемопередатчик подключается к ВЧ-каналу через дифференциальную систему 6, а к терминалу РЗ - через блоки сопряжения 1, 2, 10, 12, осуществляющие гальваническую развязку и преобразование уровней напряжения сигналов до стандартных значений.
Осуществление изобретения. Устройство позволяет осуществлять независимую, в том числе одновременную, передачу и прием двух сигналов, один из которых служит для определения места повреждения на ВЛ: внутри защищаемого участка или вне его пределов, а второй сигнал является командой на ускорение действия защиты.
1
2
1
2
2
1
По команде терминала РЗ, подаваемой по цепи управления «Пуск», начинается передача сигнала для обеспечения селективного действия релейной защиты. При этом по цепям управления ТУ/ТО терминал РЗ может подать команду на передачу одного из n-сигналов (n-команды), ускоряющих действие защиты. Первый из упомянутых сигналов передается непрерывно, причем при ВЧБ передается одной из двух несущих частот: блокирующей Fн или разрешающей Fн, а при ДФЗ - манипуляцией этих же частот. Второй сигнал - сигнал ускорения действия защиты - формируется на передачу за счет амплитудной модуляции сигнала несущей частоты Fн (Fн,/Fн), при этом модулирующий сигнал может принимать одно из значений частот, например, Fo-Fn с одинаковыми значениями глубины амплитудной модуляции. Сигнал с частотой Fo выполняет функцию контрольного (охранного) сигнала, остальные сигналы с частотами (F-Fn) осуществляют передачу различных n-команд ускорения действия защиты.
От терминала релейной защиты сигналы поступают в соответствующие блоки сопряжения 1, 2, а затем в блок формирования высокочастотного сигнала 3, где происходит синтез сигналов несущей: блокирующего или разрешающего. Блок синтеза частот 3 формирует также и сигнал, предназначенный для модуляции несущих частот по амплитуде. Этот сигнал формируется с помощью n-команд управления с терминала РЗ, которые поступают в блок синтеза 3 через блок сопряжения 1. Каждой из n-команд, а также контрольному охранному сигналу соответствует определенная частота модулирующего сигнала из общего набора заранее заданных фиксированных частот.
Сигнал несущей частоты и модулирующий сигнал поступают в блок мощного усилителя 4, где осуществляется амплитудная модуляция несущего сигнала и усиление интегрального сигнала.
Далее, через линейный фильтр 5 и дифференциальную систему 6 интегральный сигнал передается в ВЧ-канал связи в направлении приемника удаленного полукомплекта (на другой конец ВЛ).
Все время пока терминал РЗ не подаст команду на передачу сигналов телеускорения (ТУ)/телеотключения (ТО), амплитудная модуляция несущего сигнала осуществляется сигналом фиксированной частоты, соответствующей контрольному (охранному) сигналу Fo.
В это же время интегральный сигнал передатчика, расположенного на противоположном конце участка ВЛ, поступает из ВЧ-канала связи через дифференциальную систему 6 на вход приемного тракта, затем в фильтр предварительной селекции 7, после которого направляется в аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь 8. После преобразования сигнал одновременно поступает на вход приемника сигналов ВЧБ/ДФЗ 9 и на вход приемника сигналов ТУ/ТО 11. В приемнике сигналов ВЧБ и ДФЗ с помощью алгоритма частотного детектора определяется какая из двух возможных частот несущего ВЧ-сигнала поступает в настоящий момент на вход приемника: блокирующая или разрешающая, при этом на выходе приемника 9 формируется логический сигнал, соответственно, низкого или высокого уровня, который поступает далее на один из входов блока сопряжения 10. При этом на другой вход блока сопряжения 10 от терминала РЗ поступает сигнал управления МАН, откуда этот сигнал попадает в линию задержки для того, чтобы получить смещение во времени, равное времени суммарного запаздывания сигналов, возникающего при их прохождении в тракте передачи, а также в приемном тракте устройства. После этого сигнал МАН, прошедший линию задержки, суммируется с выходным сигналом из приемника 9, а суммарный сигнал по цепи ПРМ поступает на вход терминала РЗ, обеспечивая таким образом избирательное действие защиты. В приемнике сигналов ТУ/ТО 11 происходит детектирование AM сигнала, ограничение его уровня и декодирование посредством узкополосных фильтров, каждый из которых настроен на фиксированную частоту, соответствующую определенной частоте n-команды или контрольного (охранного) сигнала. С выхода приемника сигналов ТУ/ТО 11 через блок сопряжения 12 принятая команда направляется в терминал РЗ для исполнения.
Устройство оснащено аппаратно-программными средствами самоконтроля и диагностики, имеет гальваническую развязку по цепям управления и сигнализации (на чертеже не показаны).
Осуществление изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения. Устройство позволяет осуществлять одновременную независимую передачу и прием двух сигналов, один из которых служит для определения места повреждения на ВЛ: внутри защищаемого участка или вне его пределов, а второй сигнал является командой на ускорение действия защиты.
Пример №1
Если электрическая сеть находится в нормальном режиме работы (повреждений нет), то на выходе синтезатора 3 устанавливается и непрерывно передается сигнал с несущей частотой (Fн2) независимо от того алгоритм какой защиты реализует терминал РЗ: ВЧБ или ДФЗ.
Пример №2
2
Если терминал РЗ работает по алгоритму ВЧБ, то при возникновении повреждения в электрической сети вне зоны действия защиты сигнал на выходе синтезатора 3 примет значение несущей частоты Fн1 и выходные цепи терминалов РЗ на отключение выключателей на обоих концах ВЛ будут блокированы. Если повреждение возникнет в зоне действия защиты, передатчики на каждом из концов ВЛ будут передавать сигналы с частотой Fн, при этом действие защит разрешено и ВЛ будет отключена выключателями с обеих сторон.
Пример №3
Если терминал РЗ работает по алгоритму ДФЗ, то при возникновении повреждения в электрической сети, синтезатор 3 будет формировать частотно манипулированный сигнал, переключая частоты Fн1 и Fh2 в соответствии с состоянием сигнала управления МАН, получаемого от терминала РЗ.
Предлагаемое к защите техническое решение является универсальным и может быть применено для совестной работы с терминалами РЗ использующими алгоритмы защит как ВЧБ, так и ДФЗ.
Благодаря заявляемому изобретению обеспечивается более узкий спектр частот модулированного сигнала, вследствие чего не требуется дополнительной установки формирующего фильтра для передаваемого сигнала, что позволяет использовать в усилителе ВЧ-передатчика режим класса D, который характеризуется большой удельной мощностью и высоким КПД. При этом кратные гармонические составляющие сигнала устраняются линейным фильтром передатчика, настроенным на частоту выходного сигнала, что позволяет не только упростить конструкцию тракта передачи сигнала и устройства в целом, но и выполнить ее менее энергоемкой и более надежной. За счет использования принципиально различающихся способов модуляции, снижается степень взаимного влияния двух одновременного передаваемых сигналов, что упрощает реализацию приемного тракта устройства.