Способ аварийной защиты элементов систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока и устройство для его осуществления
METHOD FOR EMERGENCY PROTECTION OF ELEMENTS OF SYSTEMS OF TRACTION POWER SUPPLY OF RAILWAYS OF ALTERNATING CURRENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемый способ аварийной защиты и устройство для его осуществления относятся к области электротехники, а именно, к технике релейной защиты, и могут быть использованы в устройствах микропроцессорных релейных защит фидеров контактной сети переменного тока для надежного распознавания предаварийных и аварийных режимов работы системы тягового электроснабжения в условиях пропуска поездов повышенной массы и длины, тяжеловесных поездов, резко-переменного графика движения (в зависимости от местной поездной ситуации).
Алгоритм современных микропроцессорных систем релейных защит основан на фиксации мгновенных значений тока и напряжения на фидерах контактной (тяговой) сети посредством информации, снимаемой со вторичных обмоток измерительных трансформаторов тока и напряжения, ее последующей оцифровки и сравнении со значениями уставок [1].
Увеличение масс и длин поездов, применение пакетного графика движения, использование режимов рекуперации и перегруппировки тяговых двигателей на электровозах стало приводить к изменению уровня тока в контактной (тяговой) сети до значений кратковременно превышающих значения уставок, определенных эксплуатационными характеристиками системы тягового электроснабжения каждого конкретного участка железной дороги и, как факт к частому срабатыванию устройств релейной защиты по неустановленным причинам [2, 3]. На сегодняшний день, несмотря на возможные предлагающиеся технические решения [4, 5, 6], указанная проблема решена не полностью.
Известно интеллектуальное устройство релейной защиты промышленных систем электроснабжения на основе искусственной нейронной сети [4]. Нейронная сеть способна решать задачи прогнозирования параметров системы электроснабжения в последующий период ее работы по измеренным параметрам в предшествующий временной интервал.
Сравнивая между собой прогнозируемые, текущие и предшествующие параметры системы электроснабжения, нейронная сеть определяет погрешность прогнозирования и использует это значение для дальнейшего самообучения в рамках поставленной задачи.
Недостатком нейронной сети в случае использования в составе устройства аварийной защиты элементов систем тягового электроснабжения является ее низкое быстродействие, обусловленное пошаговым обучением. Нейронная сеть в этом случае показала бы наилучшие результаты в работе микропроцессорных релейных защит только при плавных изменениях контролируемых ею параметров. Однако, процесс возникновения аварийных или близких к аварийным режимов работы системы тягового электроснабжения носит чисто случайный характер и сопровождается резкими мгновенными изменениями контролируемых параметров.
Близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является способ защиты объекта, основанный на анализе первой производной тока короткого замыкания [5]. Сущность способа заключается в фиксации мгновенных значений первой производной тока и дальнейшем их сравнении с заранее заданной одноименной уставкой.
Недостатками данного технического решения являются зависимость времени срабатывания устройства релейной защиты от начальной фазы контролируемой функции тока и мгновенное срабатывание при превышении скорости изменения амплитуды тока значения уставки, представленной в виде первой производной контролируемого параметра. Максимум первой производной функции мгновенных значений тока имеет место только в момент пересечения функции нулевых отметок. При другой начальной фазе функции тока, отличающейся от предыдущей на 90 электрических градусов, задержка в срабатывании релейной защиты будет максимальной, так как первая производная тока в данный момент времени стремится к нулю. Мгновенное же срабатывание устройства защиты не позволяет разделять предаварийные и аварийные режимы работы защищаемого объекта от кратковременных пусковых и переходных токов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству, является способ аварийной защиты элементов электроэнергетических систем, принятый за прототип [6]. В отличие от [5] в устройстве-прототипе в пределах каждого периода питающего напряжения фиксируется момент перехода указанного напряжения через нулевое значение. От указанного момента времени производится отсчет текущей фазы напряжения, определяются прогнозные значения текущей фазы периодической составляющей первой производной тока. По значениям первой производной тока и текущей фазе ее периодической составляющей определяется прогнозируемое значение амплитуды периодической составляющей тока защищаемого объекта, которая затем сравнивается с уставкой. Определение прогнозного значения начальной фазы периодической составляющей первой производной тока защищаемого объекта производится начиная с момента превышения разностью спрогнозированного и измеренного текущих значений напряжения сети заданного значения.
К недостаткам указанного технического решения и способа его реализации следует отнести косвенное определение текущей фазы периодической составляющей первой производной тока через отсчет текущей фазы напряжения от измеренного момента перехода напряжения через нулевую отметку. Это неизменно приводит к появлению погрешности спрогнозированной текущей фазы первой производной тока защищаемого объекта. Кроме того, определение прогнозируемого значения амплитуды периодической составляющей тока защищаемого объекта производится не во всем временном диапазоне, а начиная с момента превышения разностью спрогнозированного и измеренного текущих значений напряжения защищаемого объекта заданного значения. При этом определение прогнозируемого значения амплитуды напряжения по первой ее производной не производится вовсе. И также, до конца не решена зависимость времени срабатывания устройства аварийной защиты [6] от начальной фазы контролируемой функции тока, поскольку это значение определяется лишь косвенно (через отсчет текущей фазы напряжения).
Проведенный анализ показал, что проблема разработки и внедрения устройств [4-6], обеспечивающих эффективное разделение аварийного и близкого к аварийному режимов работы защищаемого объекта, решена не полностью.
Данным изобретением решается задача повышения селективности и надежности распознавания аварийных и близких к аварийным режимов системы тягового электроснабжения переменного тока уже на ранних стадиях их зарождения.
Для достижения заявляемого технического результата предлагается способ повышения селективности аварийной защиты элементов систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока, заключающийся в прогнозировании изменения амплитуды контролируемых функций тока и напряжения либо по значениям их первых производных (найденных в окрестностях нулевых отметок), либо по трем экспериментальным точкам (снятым вблизи локальных максимумов), в зависимости от текущей фазы контролируемых сигналов. Фиксация моментов перехода контролируемых сигналов тока и напряжения через нулевые отметки осуществляется устройствами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [7]. По результатам сравнения значений амплитуд прогнозируемых функций тока и напряжения с значениями их уставок принимается одно из решений о дальнейшем режиме работы защищаемого объекта системы тягового электроснабжения:
- при нахождении амплитуд прогнозируемых функций тока и/или напряжения за время двух крайних оцениваемых полупериодов в пределах допустимых значений уставок, принимается решение о продолжении текущего режима работы;
- при выходе значений амплитуд прогнозируемых функций тока и/или напряжения за допустимые значения уставок в пределах двух крайних оцениваемых полупериодов контролируемого сигнала, принимается решение об аварийном отключении;
- при превышении амплитуды прогнозируемой функции тока значения в 3000 А (максимально допустимый ток для контактной подвески), даже в пределах одного прогнозного полупериода, принимается решение об аварийном отключении;
- в случае уменьшения амплитуды прогнозируемой функции напряжения до значений менее 19 кВ (минимально допустимое напряжение контактной сети), даже в пределах одного прогнозного полупериода, принимается решение об аварийном отключении.
Алгоритм принятия решений относительно аварийного отключения защищаемого объекта может быть изменен в зависимости от специфики работы той или иной тяговой подстанции или поста секционирования.
Таким образом, достижение требуемого результата осуществляется за счет:
1. Прогнозирования изменения амплитуды контролируемых функций тока и напряжения либо по значениям их первых производных (найденных в окрестностях нулевых отметок), либо по трем экспериментальным точкам (снятым вблизи локальных максимумов), в зависимости от текущей фазы контролируемых сигналов.
2. Оценки значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения за допустимый (по условиям безопасной работы элементов систем тягового электроснабжения) диапазон времени (два полупериода).
3. Более точных прямых методов определения текущих значений первой производной тока защищаемого объекта.
4. Определения параметров как прогнозируемой функции тока, так и прогнозируемой функции напряжения.
Предлагаемый способ аварийной защиты элементов систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока и устройство для его осуществления поясняются фиг. 1 и 2, на которых соответственно представлены структурная схема предлагаемого устройства и схема определения частоты и начальных фаз прогнозных функций тока и напряжения.
Представленное на фиг. 1 устройство содержит следующие блоки и модули: блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов тока и напряжения (состоящий из измерительных трансформаторов тока 1 и напряжения 2, модулей задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ, модулей цифровых частотных фильтров (фильтров Фурье) основной гармоники тока 5 и напряжения 6, модулей регистров дискретных значений тока 7 и напряжения 8); блок определения текущих и прогнозных электрических параметров контролируемых сигналов тока и напряжения (состоящий из модулей 9-14 расчета угловой частоты, начальной фазы и первой производной прогнозных функций тока и напряжения); блок определения амплитудных значений прогнозируемых сигналов тока и напряжения (состоящий из модулей 17-20 расчета амплитуд прогнозируемых функций тока и напряжения либо по значениям первых производных соответствующих контролируемых сигналов, найденных в окрестностях нулевых отметок, либо по трем экспериментальным точкам сигналов, снятым вблизи локальных максимумов, в зависимости от текущей фазы (выбор варианта расчета значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения осуществляется модулями сравнения 15 и 16)); блок принятия решения на аварийное отключение защищаемого объекта (состоящий из модулей сравнения значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения со значениями уставок (22, 23, 28 и 30), модулей задержки времени 24 и 31, модулей регистров значений амплитуд прогнозных функций тока (25) и напряжения (32) за три прогнозируемых полупериода, модулей сравнения значений амплитуд прогнозных функций тока (26) и напряжения (33) со значениями уставки за два прогнозируемых полупериода. Сигнал на отключение защищаемого объекта вырабатывается в модуле 36 в зависимости от алгоритма работы всех предшествующих блоков и модулей.
Алгоритм работы устройства аварийной защиты элементов систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока состоит в снятии входных контролируемых сигналов тока и напряжения с измерительных трансформаторов 1 и 2, выходы которых подключены к модулям задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ, с которых сигналы далее поступают в модули цифровых фильтров тока (5) и напряжения (6) и, далее, в дискретном виде сохраняются в модулях регистров дискретных значений тока и напряжения 7 и 8 соответственно, на основе которых в блоке определения текущих и прогнозных электрических параметров контролируемых сигналов тока и напряжения происходит определение частоты, начальной фазы и первой производной прогнозируемых функций тока и напряжения, на основе которых в зависимости от численных значений соответствующих дискретных отсчетов тока и напряжения находятся значения амплитуд прогнозируемых функций в одноименных модулях 17-20 одним из двух способов: либо по значениям первой производной, определенной вблизи нулевых отметок контролируемых функций, либо по трем ненулевым смежным дискретным измеренным значениям тока или напряжения, снятым вблизи локальных экстремумов. На основе найденных в модулях 17-20 параметров прогнозируемых функций тока и напряжения осуществляется проверка условий для принятия соответствующего решения в блоке принятия решения на аварийное отключение защищаемого объекта. При проверке в модуле сравнения 22 и превышении амплитуды прогнозной функции тока увеличенного на 20% (по условиям пусковых токов локомотивов) значения уставки, осуществляется проверка по критическому значению тока в модуле 23. Если значение амплитуды прогнозной функции тока меньше максимально допустимого значения (3000 А), начинается отчет времени длительностью 0,03 с (3 полупериода тока промышленной частоты) в модуле 24 и последующая запись в модуль регистра 25 значений амплитуд прогнозируемой функции тока за три прогнозных полупериода частоты сигнала. В случае достижения значений амплитуды прогнозной функции тока на двух крайних полупериодах менее увеличенного на 20% значения уставки, в модуле 26 принимается решение о сохранении текущего режима работы защищаемого объекта (пустая операция NOP в модуле 27), в случае же превышения значений амплитуды прогнозной функции тока на двух крайних полупериодах величины уставки, увеличенной на 20%, принимается решение об аварийном отключении защищаемого объекта. В случае превышения значения амплитуды прогнозируемой функции тока максимально допустимого значения (3000 А), даже, в пределах одного полупериода принимается решение об аварийном отключении защищаемого объекта. Аналогичным образом действует алгоритм отключения защищаемого объекта по результатам оценки значений амплитуд прогнозной функции напряжения. При проверке в модуле сравнения 28 и уменьшении значения амплитуды прогнозируемой функции напряжения, уменьшенного на 20% (по условиям пусковых токов локомотивов) значения уставки, в модуле 30 осуществляется проверка на превышение минимального допустимого уровня напряжения в контактной сети. Если значение амплитуды прогнозируемой функции напряжения больше 19 кВ, начинается отчет времени длительностью 0,03 с (три полупериода тока промышленной частоты) в модуле 31 и дальнейшая запись в модуле регистра 32 значений амплитуд прогнозируемой функции напряжения за три прогнозных полупериода частоты сигнала. В случае действия значений амплитуды прогнозной функции напряжения на двух крайних полупериодах более уменьшенного на 20% значения уставки, в модуле 33 принимается решение о сохранении текущего режима работы защищаемого объекта (пустая операция NOP в модуле 34), в случае же уменьшения значений амплитуды прогнозной функции напряжения на двух крайних полупериодах величины уставки, уменьшенной на 20%, принимается решение об аварийном отключении защищаемого объекта. В случае уменьшения значения амплитуды прогнозируемой функции напряжения ниже минимального допустимого уровня напряжения в контактной сети (19 кВ), даже, в пределах одного полупериода принимается решение об аварийном отключении защищаемого объекта. Модуль логической операции ИЛИ (35), выполняет функцию выдачи сигнала высокого уровня в модуль 36 на отключение фидера контактной сети в любом из четырех указанных случаев.
Относительно аналитики функционирования модулей расчета частоты, начальной фазы, первых производных, значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения (фиг. 1), следует отметить следующее. Прогнозируемые функции тока и напряжения представляются в виде синусоидальной функции:
Определение значений угловой частоты, начальных фаз и разности фаз прогнозных функций тока и напряжения осуществляется на основе фиксации значений времени двух или трех смежных нулевых отметок (фиг.2), зафиксированных модулями задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ и их последующего анализа:
Определение значений первых производных контролируемых сигналов тока и напряжения в модулях 13 и 14 производится по двум смежным измеренным дискретным значениям вблизи соответствующих нулевых отметок, зафиксированных модулями задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ:
Расчет значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения осуществляется либо в модулях 17 и 19 по значениям первых производных контролируемых сигналов, определенных вблизи соответствующих нулевых отметок:
либо в модулях 18 и 20 по трем текущим измеренным значениям тока (напряжения), снятым до или после перехода контролируемых сигналов через нулевые отметки:
К преимуществам предлагаемого способа аварийной защиты элементов систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока и устройства для его осуществления по сравнению с прототипом следует отнести:
- повышение точности определения значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения независимо от начальной фазы контролируемых сигналов по значениям их первых производных, найденных в окрестностях нулевых отметок и по трем экспериментальным точкам, снятым вблизи локальных максимумов (в отличие от схемы прототипа, в которой фиксируются моменты перехода контролируемого напряжения через нулевые значения, определяется его текущая фаза, на основе которой определяются прогнозируемые значения текущей фазы периодической составляющей первой производной тока и амплитуда периодической составляющей тока);
- уменьшение числа аварийных отключений защищаемого объекта при возникновении кратковременных пусковых и переходных токов, протекающих в контактной сети за счет возможности оценки значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения в течение периода времени, соответствующего трем крайним полупериодам (длительностью 0,03 с) частоты контролируемых сигналов.
Список использованных источников
1. Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с.
2. Защита секционированных тяговых сетей переменного тока: монография / П.С. Пинчуков. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. - 95 с.: ил.
3. Епифанов Е.Л., Филиппов С.Α., Востриков М.В. Проблемы существующих устройств релейной защиты фидеров контактной сети и пути их решения //115 лет железнодорожному образованию в Забайкалье: Образование - Наука - Производство. 2017. Т. 1. С. 217-223.
4. Кирюхина Е.И., Шилин А.А., Интеллектуальная релейная защита в электрических сетях. Электроцех №3 2017. 2017; 3.
5. Михайлов В.В. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1988 с. 183.
6. Патент на изобретение RU 2400899 С1. Способ сверхбыстродействующей аварийной защиты элементов электроэнергетических систем переменного тока и устройство для его осуществления. [Текст] / Михайлов В.В. - №2009123086/09; заяв. 16.06.2009.
7. Патент на изобретение RU 2708684. Устройство фильтрации и выделения первой гармоники в микропроцессорных устройствах релейной защиты фидеров контактной сети на основе схем ФАПЧ. [Текст] / Менакер К.В. и др. - №2018134810; заяв. 01.10.2018.