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 на электромагнитном принципе, а также с помощью средств вычислительной техники можно найти практически в любом учебнике по релейной защите электроэнергетических систем.
Известно, что наряду с амплитудой тока, характеризующий аварийный режим, в качестве информационного признака может выступать фаза тока [Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 2002. -312 с., ил.]. Однако схемные решения, сочетающие измерения как амплитуды, так и фазы тока для повышения эффективности (например, селективности) релейной защиты, авторам не известны.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является устройство, реализующее способ токовой защиты [Патент РФ №2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. №13], содержащее 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, вторые входы первого и второго умножителей являются входами постоянных коэффициентов, 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.
Статистический подход, применяемый в устройстве - прототипе, можно использовать для построения токовой защиты, сочетающей информацию об амплитуде и фазе тока, для выявления аварийных режимов в защищаемом объекте.
раб
aв
При этом проводится имитационное моделирование работы электроэнергетических объектов в рабочих режимах и в условиях возникновения коротких замыканий. Формируются совместные статистические распределения амплитуды и фазы тока для рабочего р(I,φ) и аварийного p(I,φ) режимов. Принятие решения на срабатывание релейной защиты осуществляется в соответствии с критерием отношения правдоподобия
,
ав
раб
0
где р(I,φ), р(I,φ) - плотности вероятности совместного распределения амплитуды и фазы тока соответственно в аварийном и рабочем режимах; Λ - пороговое (уставочное) значение.
Например, при нормальном (Гауссовском) законе распределения вероятностей в рабочем и аварийном режимах имеем
где  - соответственно математические ожидания и дисперсии амплитуды токов в рабочем и аварийном режимах;
- соответственно математические ожидания и дисперсии фазы токов в рабочем и аварийном режимах; ρ - коэффициент корреляции между значениями амплитуды и фазы токов.
раб
ав
Для введенных Р(I,φ) и Р(I,φ) отношение правдоподобия будет выглядеть следующим образом
Введем обозначения для упрощения записи
тогда
Следует отметить, что выражение в круглых скобках является постоянных коэффициентом, так как не зависит от измеряемых параметров I, φ.
Прологарифмировав выражение для Λ(I,φ) , переходим к правилу принятия решения токовой защитой на основе логарифма отношения правдоподобия, состоящим в сравнении величины
2
2
L(I,φ)=f·(a·I+c·I+d·I·φ+e·φ+b·φ)
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 статистических расчетах вместо фиксированных параметров эквивалентных схем задают случайные переменные электрических величин.
Задача полезной модели - создание устройства токовой защиты, обладающего высокой селективностью.
Поставленная задача достигается устройством токовой защиты, содержащим первый квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход первого квадратора объединен с первым входом первого умножители и является первым входом устройства, выход первого умножителя соединен с первым входом сумматора, ко второму входу сумматора подключен выход первого квадратора через второй умножитель, вторые входы первого и второго умножителей являются входами постоянных коэффициентов, на второй вход схемы сравнения подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства. Согласно предлагаемой полезной модели введены пять умножителей и второй квадратор, причем вход третьего умножителя объединен с первым входом устройства, а выход третьего умножителя через четвертый умножитель подключен к третьему входу сумматора, вход второго квадратора объединен со вторым входом третьего умножителя и первым входом пятого умножителя и является вторым входом устройства, выход пятого умножителя подключен к четвертому входу сумматора, а выход второго квадратора через шестой умножитель подключен к пятому входу сумматора, выход сумматора через седьмой умножитель подключен к первому входу схемы сравнения, вторые входы четвертого, пятого шестого и седьмого умножителей являются входами постоянных коэффициентов.
0
Для технической реализации устройства токовой защиты используются выражения для логарифма отношения правдоподобия l(I,φ) и уставочного значения l.
Структурная схема устройства токовой защиты приведена на фиг.1. Устройство (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы; первый 5, второй 4, третий 3, четвертый 6, пятый 7, шестой 8 и седьмой 10 умножители; сумматор 9 и схему сравнения 11.
0
Вход первого квадратора 1 объединен с первыми входами первого 5 и третьего 3 умножителей и является первым входом устройства. Вход второго квадратора 2 объединен со вторым входом третьего 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 третьего умножителя 3, вход шестого умножителя 8 соединен с выходом второго квадратора 2. На вторые входы второго 4, первого 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей подаются постоянные коэффициенты соответственно а; с; d; е; b. Выхода второго 4, первого 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 седьмого умножителя 10, на второй вход которого подается постоянный коэффициент f. Выход седьмого умножителя 10 подключен к первому входу схемы сравнения 11, на второй вход которой подается пороговое (уставочное) значение l. Выход схемы сравнения является выходом устройства токовой защиты.
Устройство работает следующим образом.
На вход устройства подают цифровые значения амплитуды и фазы тока (обработка производится для отдельной фазы). Таким образом, перед подачей на вход устройства, реализующего предлагаемый способ защиты, над током проводились следующие операции обработки: аналоговая фильтрация низких частот; аналого-цифровое преобразование; цифровая фильтрация отсчетов тока (например, по алгоритму дискретного преобразования Фурье); цифровое детектирование (вычисление абсолютного (модульного) значения); вычисление фазы сигнала. Как правило, исходя из поступающих на вход мгновенных значений, традиционно рассматриваются структуры цифровой токовой защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.178, рис.4.10].
0
При реализации устройства (фиг.1) предварительно по полученным в результате моделирования (или статистических расчетов эквивалентных схем) значениям  производится расчет постоянных коэффициентов а; с; d; e; b; 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.
При моделировании был выбран участок сети 110 кВ Нижегородской энергосистемы (фиг.2). Имитационная модель участка сети 110 кВ реализовалась в программном комплексе MATLAB, 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
104,5-115,5
Частота тока, Гц
49,8-50,2
Угол передачи, град.
30-70
Активное сопротивление, Ом
0,65-0,95
Индуктивность, мГн
6-8
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
Активное сопротивление, Ом
14-16
Индуктивность, Гн
0,35-0,39
Активное сопротивление цепи намагничивания, Мом
1,1-1,4
Индуктивность цепи намагничивания, Гн
720-760
Потребители
Нагрузка, МВА
20-30,5
cos (φ)
0,75-0,95
раб
ав
раб
ав
ср
ср
изл
отк
Имитировались междуфазные замыкания за трансформатором (Т5) в условия изменения параметров сети (фиг.2). По результатам моделирования строились совместные распределения вероятностей токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах р(I,φ), p(I,φ). Пример сечения этих плотностей вероятностей р(I,φ), р(I,φ) по осям амплитуды и фазы тока приведены на фиг.3 и фиг.4. Анализ фиг.3, 4 свидетельствует, что значения, как амплитуды тока, так и фазы тока 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 амплитуде (I) и фазе (φ) тока, 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 амплитуды и фазы тока, а также в их взаимосвязи (коэффициенте корреляции).
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 значений амплитуды тока I и фазы тока φ устройство (фиг.1) реализует взвешенное суммирование
.
0
0
0
В последующем значение l(I,φ) сравнивается с уставкой (порогом) l для принятия решения о наличии аварийного режима на защищаемом объекте. Так, при l(I,φ)≥l принимается решение о наличии аварийного режима, и защита срабатывает, в противном случае l(I,φ)<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.