Способ мультиагентной дифференциальной защиты шин
METHOD OF MULTI-AGENT DIFFERENTIAL PROTECTION OF BUSBARS

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для релейной защиты от коротких замыканий шин и частично ячеек распределительных устройств, прежде всего, среднего напряжения 6 - 35 кВ электрических станций и подстанций энергосистемы, а так же для применения, при соответствующем проектном обосновании, в сетях более высокого напряжения.
Известен способ выполнения дифференциальной защиты шин (Кужеков С.Л., Синельников В.Я. Защита шин электростанций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1982; стр. 48-49, 97-98), основанный на сравнении токов в присоединениях защищаемых шин. В указанном способе пусковой орган тока включают в дифференциальную цепь на геометрическую сумму токов присоединений. Для устранения влияния тока небаланса возникающего при внешнем коротком замыкании дифференциальную защиту шин (ДЗШ) выполняют с процентным торможением, при котором тормозная характеристика регулируется в зависимости от полной погрешности трансформатора тока.
Известен способ дифференциальной защиты электроустановки (Патент на изобретение RU №2261510, МПК Н02Н 3/28, Н02Н 7/045, 2005 г.), принятый за прототип, заключающийся в том, что пофазно формируют дифференциальный ток, пропорциональный разности вторичных токов на входе и выходе защищаемой электроустановки, и тормозной ток, состоящий из двух слагаемых, первое из которых пропорционально корню квадратному из векторного произведения указанных вторичных токов, а значения второго вычисляют путем интегрирования дополнительного тока, равного разности между суммой модулей указанных вторичных токов и модулем дифференциального тока, затягивают спад второго слагаемого тормозного тока, сравнивают дифференциальный ток с уставкой и тормозным током и по результатам сравнения выдают сигнал на срабатывание защиты.
Недостатком указанного способа являются низкая устойчивость функционирования защиты шин распределительных устройств среднего напряжения 6-35 кВ, а также возможность отказа дифференциальной защиты шин из-за значительных фазовых погрешностей трансформатора тока, при применении дифференциально-фазного торможения в дифференциальных защитах многообмоточных трансформаторов при глубоком насыщении магнитопровода трансформатора тока.
Задача изобретения - создание способа мультиагентной дифференциальной защиты шин распределительных устройств среднего напряжения 6-35 кВ обеспечивающего устойчивость функционирования защиты при внешнем коротком замыкании (КЗ) на присоединении фидера, сопровождающемся насыщением магнитопровода его трансформатора тока.
Технический результат заключается в блокировании срабатывания дифференциальной защиты шин в случае появления признаков насыщения магнитопровода трансформатора тока фидера при внешнем коротком замыкании.
Технический результат достигается тем, что в способе мультиагентной дифференциальной защиты шин, заключающемся в том, что измеряют вторичные токи каждого трансформатора тока, пофазно формируют дифференциальный ток пропорциональный разности вторичных токов на входе и выходе защищаемых шин, формируют логический сигнал срабатывания измерительного органа защиты, на каждом присоединении системы шин устанавливают микропроцессорный терминал-агент, объединяют терминалы локальной информационно-управляющей сетью, из каждого терминала-агента циркулярно в каждый полупериод передают цифровые параметры токов, формируют и передают логический сигнал о насыщении магнитопровода трансформатора тока, для чего на интервале времени от момента возникновения короткого замыкания до момента насыщения считывают выборки тока, рассчитывают амплитудное значение тока, определяют момент соответствующий появлению амплитудного значения и измеряют ток, затем вычисляют отношение рассчитанного и измеренного токов; если отношение находится в диапазоне от 1 до допустимого уровня 1,1, то логический сигнал о насыщении формируют равным нулю, если отношение превышает допустимый уровень, максимальное значение которого 1,1, то логический сигнал о насыщении формируют равным единице; проверяют совпадение условий, а именно, отсутствие сигнала о насыщении в любом из терминалов-агентов на предыдущем полупериоде, наличие сигнала насыщения в любом терминале-агенте и наличие сигнала из терминала-агента питающего присоединения об увеличении тока на текущем периоде до величины, превышающей максимальный ток без короткого замыкания; при совпадении условий блокируют логический сигнал срабатывания измерительного органа защиты, иначе по сигналу срабатывания измерительного органа защиты отключают выключатели, сигнал отключения от защиты формируют по логическому выражению:
Откл=НЕ {(Ipac[i-1]/Iизм[i-1]<1.1) И (Ipac[i]Iизм[i]>1.1) И (Iпит|i|>Iмакс без кз)} И ИОДЗ,
где Откл - сигнал отключения выключателя формируемый терминалами-агентами,
i - текущий номер наблюдаемого полупериода тока;
Ipac[i] - амплитуда тока рассчитанная по выборкам взятым на начальном интервале от момента замыкания до момента насыщения магнитопровода трансформатора тока;
Iизм[i] - измеренное значение вторичного тока в момент, когда первичный ток, а также вторичный ток при отсутствии насыщения, достигают амплитудного значения;
Iпит[i] - значение тока питающего присоединения измеряемого в рабочем режиме через выключатель ввода, а в режиме резервирования измеряемого через секционный выключатель;
Iмакс без кз - максимальный ток в режиме без короткого замыкания;
ИОДЗ - логический сигнал срабатывания измерительного органа дифференциальной защиты.
Способ мультиагентной дифференциальной защиты шин осуществляется посредством системы релейной защиты (РЗ) с передачей сигналов по локальной сети структура которой приведена на фиг. 1. Система (РЗ) содержит микропроцессорные терминалы-агенты мультиагентной защиты (МАЗ), подключенные измерительными цепями тока к вторичным обмоткам трансформаторов тока трех фаз присоединений шин распределительного устройства, в том числе, выключателя ввода (ВВ), секционного выключателя (СВ), и объединенные посредством цифровых интерфейсов в локальную информационно-управляющую сеть мультиагентной защиты (ЛИУС МАЗ). Выходные релейные контакты МАЗ формируют сигнал управления выключателем присоединения на отключение. ЛИУС МАЗ позволяет передавать не только дискретные сигналы, но и значения токов в векторном представлении. ЛИУС МАЗ реализует принцип взаимодействия агентов в сети peer - to - peer с передачей маркера и широковещательной передачей данных от агентов. ЛИУС МАЗ - это одноранговая, децентрализованная микроконтроллерная сеть, основанная на равных правах всех участников. Из каждого терминала-агента циркулярно в каждый полупериод передают цифровые параметры токов, формируют и передают логический сигнал о насыщении магнитопровода трансформатора тока. Таким образом, на каждом присоединении системы шин устанавливают микропроцессорный терминал-агент, объединяют терминалы локальной информационно-управляющей сетью. Измеряют вторичные токи каждого трансформатора тока, из каждого терминала-агента циркулярно в каждый полупериод i. Передают измеренные цифровые параметры векторов фазных токов, формируют и передают логический сигнал о насыщении магнитопровода трансформатора тока. Для этого на интервале времени от момента возникновения короткого замыкания до момента насыщения считывают выборки тока, рассчитывают амплитудное значение тока, определяют момент соответствующий появлению амплитудного значения и в этот момент измеряют ток, затем вычисляют отношение рассчитанного и измеренного токов. Если отношение рассчитанного и измеренного токов находится в диапазоне от 1 до максимально допустимого уровня 1,1 соответствующего полной погрешности трансформатора тока ε=0.1, то логический сигнал о насыщении формируют равным нулю. Если отношение рассчитанного и измеренного токов превышает допустимый уровень, то логический сигнал о насыщении формируют равным единице. Пофазно формируют вторичные дифференциальный и тормозной токи, пропорциональные сумме и разности первичных токов на входе и выходе защищаемых шин в соответствии с полярностями трансформаторов тока и принципом действия дифференциальной защиты, обеспечивающим ее несрабатывание при сквозном токе, формируют логический сигнал срабатывания пускового измерительного органа защиты. При внутреннем замыкании на шинах сигнал измерительного органа равен единице, а при внешнем, в условиях без насыщения магнитопровода трансформатора тока, сигнал равен нулю. При глубоком насыщении магнитопровода трансформатора тока при внешнем коротком замыкании, даже при наличии торможения, за счет очень большого тока небаланса пусковой измерительный орган защиты может сработать и его сигнал будет равен единице. В этом случае несрабатывание ДЗШ обеспечивается блокировкой пускового измерительного органа. Для блокировки проверяют совпадение условий характеризующих возникновение внешнего короткого замыкания сопровождающегося насыщением магнитопровода трансформатора тока присоединения фидера. Возникновение короткого замыкания определяют по факту превышения током питающего присоединения (Iпит[i]) на наблюдаемом полупериоде тока с текущим номером i порогового значения соответствующего максимальному току в режиме без короткого замыкания (Iмакс без кз), т.е. Iпит[i]>Iмакс без кз. Условие по которому определяется возникновения насыщения магнитопровода трансформатора тока заключается в несовпадении логических признаков насыщения на смежных полупериодах с номерами i-1, соответствующего предшествующему полупериоду, в котором отсутствует насыщение магнитопровода трансформатора тока и i, соответствующего текущему полупериоду, в котором магнитопровод трансформатора тока насыщен.
При совпадении условий возникновения насыщения заключающихся в изменении признака насыщения с пассивного значения ноль на активное значение единица на смежных полупериодах, и срабатывании органа выявления тока короткого замыкания, логический сигнал срабатывания измерительного органа защиты блокируют, иначе по сигналу срабатывания измерительного органа защиты отключают выключатели. В соответствии с рассмотренными условиями сигнал отключения от защиты формируют по логическому выражению:
Откл=НЕ {(Ipac[i-1]/Iизм[i-1]<1.1) И (Ipac[i]/Iизм[i]>1.1) И (Iпит[i]>Iмакс без кз)} И ИОДЗ,
где Откл - сигнал отключения выключателя формируемый терминалами-агентами,
i - текущий номер наблюдаемого полупериода тока;
Ipac[i] - амплитуда тока рассчитанная по выборкам взятым на начальном интервале от момента замыкания до момента насыщения магнитопровода трансформатора тока;
Iизм[i] - измеренное значение вторичного тока в момент, когда первичный ток, а также вторичный ток при отсутствии насыщения, достигают амплитудного значения;
Iпит[i] - значение тока питающего присоединения измеряемого в рабочем режиме через выключатель ввода, а в режиме резервирования измеряемого через секционный выключатель;
Iмакс без кз - максимальный ток в режиме без короткого замыкания;
ИОДЗ - логический сигнал срабатывания пускового измерительного органа дифференциальной защиты;
1,1 - максимально допустимый коэффициент превышения расчетного значения амплитудного значения над измеренным амплитудным значением, соответствующий полной погрешности трансформатора тока ε=0.1, при котором магнитопровод трансформатора тока считается ненасыщенным.
Отключающий сигнал формируется при наличии сигнала срабатывания пускового измерительного органа дифференциальной защиты (ИОДЗ=1) и отсутствии сигнала (НЕ{}=1) о возникновении насыщения ((Ipac[i-1]/Iизм[i-1]<1.1) И (Ipac[i]/Iизм[i]>1.1)) совпадающего с сигналом наличия короткого замыкания (Iпит[i]>Iмакс без кз).
Работоспособность предлагаемого способа подтверждается примером, включающим в себя моделирование процесса трансформации в трансформаторе тока с учетом глубокого насыщения магнитопровода с расчетом амплитуды тока по методу Манна-Моррисона. При моделировании указанного процесса принимают условный коэффициент трансформации трансформатора тока Nтт=1, а диапазон изменения первичного тока короткого замыкания в относительных единицах -1=<Im=<+1.
Ток первичной обмотки I1 принимают синусоидальным с нулевой начальной фазой Fio=0:
I1=Im*sin(w*t)=Im*sin(w*i*dt+Fio)=1*sin(314.1592*0.0001*i)
где w=314.1592 угловая промышленная частота;
dt=0.0001 с - интервал дискретизации;
i - номер текущего отсчета;
Im=1 - амплитудное значение моделируемого тока.
н
Ток вторичной обмотки I2 в режиме без насыщения магнитопровода на интервале t=0-2 мс (где t=t=2 мс соответствует i=20 и dt=0.1 мc) совпадает с первичным I2[i]=I1[i].
н
н
На интервале t=2-10 мс описывающем режим глубокого насыщения (t>=t) вторичный ток I2 обмотки трансформатора тока моделируют экспонентой смещенной на величину Iсм=0.3 по оси тока. Отсчет времени изменения тока по экспоненте начинают с момента насыщения t-t=0; коэффициент затухания экспоненты принимают к=200
I2[i]=(I1[tн]+Iсм)*exp(-к*(t-tн))-Iсм.
Принятая модель достаточно хорошо соответствует известным осциллограммам вторичных токов в режиме глубокого насыщения магнитопровода трансформатора тока (Кужеков С.Л., Синельников В.Я. Защита шин электростанций и подстанций. М: Энергоатомиздат, 1982).
Расчет амплитуды и фазы производят по методу Манна-Моррисона (Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М: Энергоатомиздат, 2007, 549 с: ил.):
2
2
Im[i-1]=√(I2t[i-1]+((I2t[i]-I2t[i-1])/(314.1592*dt))),
где Im[i-1] - значение амплитуды тока, рассчитанное в момент времени (i-1)*dt;
Fi[i-1]=arctg((I2t[i-1]*314.1592*dt)/(I2t[i]-I2t[i-1])),
Fi[i-1] - значение текущей фазы, рассчитанное в момент времени (i-1)*dt.
В рассматриваемом варианте анализа состояния магнитопровода трансформатора тока на основе вычисления отношения рассчитанной амплитуды тока по выборкам начального участка кривой вторичного тока (до 2 мс, без признаков насыщения) и выборке с номером im соответствующий максимуму измеренного тока. По значению текущей фазы Fi[i-1] определенному для выборки с номером i-1 рассчитывается значение номера im, соответствующее ближайшему большему значению фазы амплитудного значения тока Fi=π/2=1,57. При Fio=0
m
i=0,5*π*(i-1)/(dFi*(i-1))=0,5*π/(0,01*π)=50.
m1
mt
m1
mt
Признаком насыщения является возрастание отношения I/I более чем в 1.1 раза. Отношение I/I=1-1 соответствует полной погрешности трансформатора тока ε=0.1.
m1
mt
m1
mt
В рассматриваемом варианте анализа состояния магнитопровода трансформатора тока на основе вычисления отношения рассчитанной амплитуды тока по отсчетам начального участка кривой вторичного тока I (до 2 мс, без признаков насыщения) и рассчитанной амплитуды тока по текущим отсчетам I; признаком насыщения является возрастание отношения более чем в 1.1 раза (при практическом применении способа целесообразно введение коэффициента запаса). Отношение I/I=1.1 соответствует полной погрешности трансформатора тока ε=0.1.
В таблице 1 приведены показатели для характерных участков кривых токов I1[i], I2[i], вычисленные на их основании параметры амплитуды Im вторичного тока, а также выводы их анализа.
Первый участок с номерами выборок от i=0 до i=19 описывает преобразование токов без насыщения магнитопровода трансформатора тока. Он характеризуется тем, что первичный и вторичный токи совпадают (I1=I2), расчетное значение амплитуды Im практически совпадает с заданным при моделировании (погрешность вызванная методом вычисления (1-0,992437)<0,01 пренебрежимо мала), отношение значения первого расчета амплитуды Im1 к значению расчета амплитуды с текущим номером i Imt, без учета погрешностей, близко к Im1/Imt=1. Результат сравнения отношения с пороговым значением Im1/Imt<1,1 позволяет сделать вывод об отсутствии насыщения.
Второй участок с номерами выборок i>19 описывает преобразование токов при насыщении магнитопровода трансформатора тока. Для него характерно существенное отклонение значения рассчитанной амплитуды с текущим номером i от значения первого расчета амплитуды Im1, что по результату сравнения отношения с пороговым значением Im1/Imt>1,1 позволяет сделать вывод о насыщении.
Из сопоставления методов формирования признака насыщения по отношению Im/I2 и Im/Imt следует, что при равных условиях вычисление отношения рассчитанного значения амплитуды к выборке, взятой через четверть периода, дает большую эффективность, так как Im/I2>Im1/Imt (6,1>2,99), кроме того, требует меньше вычислений.