СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИЛОВОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
METHOD AND PROTECTION DEVICE FOR CONTROLLING THE POWER SWITCH IN ELECTRICAL POWER SUPPLY NETWORK

Изобретение относится к способу контроля силового переключателя в электрической сети энергоснабжения, при котором участок электрической сети энергоснабжения контролируется в отношении возникновения неисправности, при распознавании неисправности на контролируемом участке выдается инициирующий сигнал на силовой переключатель, ограничивающий участок, и генерируется сигнал неисправности переключателя, указывающий на неисправность при размыкании силового переключателя, если после выдачи инициирующего сигнала распознается продолжительное протекание тока через силовой переключатель.
Изобретение также относится к устройству защиты для контроля силового переключателя с соответственно выполненным управляющим устройством.
Электрические сети энергоснабжения контролируются в отношении их рабочего состояния обычно с помощью так называемых защитных аппаратов. Такие защитные аппараты оценивают с применением так называемых алгоритмов защиты (например, алгоритма дистанционной защиты, алгоритма дифференциальной защиты, алгоритма защиты от тока перегрузки) измеренные значения (например, токи и/или напряжения), которые указывают рабочее состояние сети энергоснабжения в соответствующем месте измерения. В качестве результата оценки, защитный аппарат принимает решение о том, находится ли контролируемый им участок сети энергоснабжения в допустимом или недопустимом рабочем состоянии. Если распознается недопустимое рабочее состояние, которое может быть вызвано, например, имеющимся коротким замыканием, то защитный аппарат выдает инициирующий сигнал на силовой переключатель, ограничивающий неисправный участок сети энергоснабжения, чтобы вызвать размыкание его переключающих контактов и тем самым отсоединить неисправный участок от остальной сети энергоснабжения.
При этом необходимо гарантировать, что силовой переключатель действительно отключает указанный участок, так как в противном случае может возникнуть повреждение компонентов сети энергоснабжения. Кроме того, при не отключенной неисправности существует риск травмирования людей.
При этом обычно самими защитными аппаратами или отдельными устройствами выполняется так называемая функция защиты от отказа переключателя, которая осуществляет контроль надлежащего размыкания силового переключателя после выдачи инициирующего сигнала. Если отключение невозможно выполнить, например, из-за дефектного силового переключателя или ошибочной передачи инициирующего сигнала, то посредством функции защиты от отказа переключателя предпринимаются соответствующие меры, чтобы ввести безопасное состояние неисправного участка сети энергоснабжения. Такие меры могут состоять в повторной попытке размыкания силового переключателя. Кроме того, может также осуществляться управление другими силовыми переключателями, которые пригодны для того, чтобы отключать неисправный участок.
Функция защиты от отказа переключателя должна иметь возможность очень быстро принимать решение о том, среагировал ли силовой переключатель на инициирующий сигнал корректным образом, чтобы гарантировать сетевую стабильность. Для этого требуется быстрое и надежное распознавание того, действительно ли силовой переключатель прервал протекание тока. Только при продолжающемся протекании тока через силовой переключатель может распознаваться отказ силового переключателя, так как в противном случае существует опасность ненужного отключения других частей сети энергоснабжения. С этой целью либо может осуществляться контроль вспомогательных контактов силового переключателя, либо посредством измерения может контролироваться протекание тока через силовой переключатель.
Из публикации ʺThe Optimization of 500kV Breaker Failure Protectionʺ; Jiang, Y. et al, 2014 China International Conference on Electricity Distribution (CICED 2014), Shenzhen, 23.-26. September 2014, известен способ контроля силового переключателя, при котором для распознавания того, происходит ли продолжающееся протекание тока через силовой переключатель, сигнал тока сначала посредством преобразования Фурье преобразуется в частотную область и затем анализируется. При этом преобразование в частотную область увеличивает временной интервал, в течение которого может приниматься решение о корректном функционировании силового переключателя.
Из US 5,157,575 A известен способ контроля силового переключателя, при котором продолжающееся протекание тока распознается посредством элемента тока перегрузки, который сравнивает ток, протекающий через силовой переключатель, с пороговым значением. Для того чтобы и в случае составляющих постоянного тока с медленным затуханием иметь возможность принятия надежного решения о состоянии силового переключателя, должны устанавливаться сравнительно длительные временные интервалы анализа, из-за чего способ становится в целом более медленным.
В основе изобретения лежит задача, при контроле силового переключателя по возможности быстро и надежно распознавать продолжающееся протекание тока или прерывание протекания тока.
Эта задача решается способом вышеуказанного типа, в котором для распознавания продолжающегося протекания тока анализируется форма кривой временной характеристики мгновенного тока, протекающего через силовой переключатель.
За счет того что в соответствующем изобретению способе рассматривается временная характеристика мгновенного тока, то есть выполняется анализ во временной области, можно отказаться от связанного с временными и вычислительными затратами преобразования Фурье. За счет рассмотрения характеристики мгновенного тока оценивается форма кривой, так что тем самым может осуществляться заметно более гибкая оценка протекания тока, чем при применении только сравнения с пороговым значением. Еще одно преимущество соответствующего изобретению способа состоит в том, что при практической реализации, частота выборки, применяемая для регистрации мгновенного тока, может быть выбрана сравнительно невысокой. Так, частота выборки около 1 кГц рассматривается в качестве достаточной для регистрации мгновенного тока; способы, которые работают в частотной области, часто требуют заметно более высоких частот выборки, которые могут составлять более 3 кГц.
При этом анализ может осуществляться на основе соответствующего фазного тока, блуждающего тока или тока системы обратной последовательности.
Согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа, может быть предусмотрено, что форма кривой временной характеристики мгновенного тока, протекающего через силовой переключатель, анализируется в отношении наличия по меньшей мере одного критерия, характеризующего форму кривой, и на основе критерия принимается решение относительно продолжающегося или прерванного протекания тока.
Таким образом могут предпочтительно рассматриваться одно или несколько характеристических свойств характеристики мгновенного тока и оцениваться в отношении того, имеет ли место продолжающееся протекание тока, или протекание тока было желательным образом прервано. В характеристике мгновенного тока могут рассматриваться как критерии, которые позволяют сделать вывод о прерывании тока, так и критерии, которые указывают на продолжающееся протекание тока. Последние требуются для того, чтобы избежать ложно положительных выводов при возникновении типовых явлений в характеристике мгновенного тока, таких как, например, насыщение, появление колебаний высших гармоник и т.д.
Конкретно, в этой связи в предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению способа может быть предусмотрено, что в качестве критерия анализируется периодичность характеристики, и может быть сделан вывод о продолжении протекания тока через силовой переключатель, если распознается периодичность характеристики.
В основе этого предпочтительного варианта осуществления лежит идея о том, что периодичность характеристики мгновенного тока обычно имеет место только тогда, когда протекание тока не было прервано. Тем самым можно путем анализа характеристики в отношении периодичности сравнительно просто сделать вывод о продолжающемся протекании тока. Имеющая место периодичность к тому же может относительно быстро устанавливаться, так как при обычных синусоидальных сигналах признаки, указывающие на периодичность, проявляются уже в пределах ¼ длительности периода.
В этой связи может быть предпочтительно предусмотрено, что периодичность характеристики анализируется на основе возникающих локальных экстремумов и/или точек перегиба.
Такие признаки позволяют сделать сравнительно надежный и быстрый вывод относительно имеющейся периодичности. Кроме того, они могут легко определяться путем образования первой и, при необходимости, второй и третьей производной характеристики - или вычисления соответствующих разностных отношений.
Другой предпочтительный вариант осуществления соответствующего изобретению способа предусматривает, что при отсутствии периодичности характеристики в качестве другого критерия анализируется свойство затухания характеристики, и делается вывод о прерывании протекания тока через силовой переключатель, если распознается свойство затухания характеристики.
Таким образом может относительно быстро распознаваться форма кривой характеристики, которая указывает на прерывание протекания тока. А именно, если протекание тока через контакты силового переключателя прерывается, то зачастую, с одной стороны, не имеется периодичности, а с другой стороны, характеристика измеренного мгновенного тока из-за процессов разряда непрерывно затухает.
В этой связи может быть предусмотрено, что для распознавания свойства затухания, с одной стороны, анализируется среднее значение характеристики мгновенного тока, а с другой стороны, - градиент характеристики мгновенного тока, и при положительном среднем значении и отрицательном градиенте или при отрицательном среднем значении и положительном градиенте делается вывод о наличии свойства затухания.
За счет рассмотрения этих просто определяемых признаков характеристики мгновенного тока может к тому же осуществляться надежное различение форм кривых характеристики, вызванных насыщением преобразователей тока. При наличии насыщения преобразователя тока имеет место положительное среднее значение совместно с положительным градиентом (и наоборот).
Другой предпочтительный вариант осуществления соответствующего изобретению способа предусматривает, что в качестве другого критерия определяется амплитуда характеристики, и делается вывод о прерывании протекания тока через силовой переключатель, если амплитуда характеристики спадает ниже порогового значения амплитуды.
Сравнительно малая амплитуда характеристики позволяет также сделать вывод о наличии прерывания протекания тока.
Конкретно, в этой связи может быть предусмотрено, что амплитуда определяется как амплитуда между пиковыми значениями (размах) характеристики.
Амплитуда между пиковыми значениями или размах сигнала позволяют также при не полностью синусоидальных характеристиках или при суперпозиции характеристики с составляющей постоянного тока осуществлять относительно надежное определение амплитуды сигнала.
Кроме того, согласно другой предпочтительной форме выполнения в этой связи может быть предусмотрено, что при амплитуде характеристики, лежащей ниже порогового значения амплитуды, можно сделать вывод о прерывании протекания тока и в том случае, когда была распознана периодичность характеристики.
Таким образом, амплитудный критерий может устанавливаться в качестве приоритетного критерия для оценки характеристики мгновенного тока. При прерывании протекания тока может также возникать характеристика мгновенного тока с заметно сниженной амплитудой совместно с и далее периодической формой кривой.
Другая предпочтительная форма выполнения соответствующего изобретению способа предусматривает, что характеристика анализируется в пределах заданного временного окна, причем длительность временного окна устанавливается адаптивным образом.
А именно, длительность временного окна определяет, с одной стороны, скорость, с которой может приниматься решение о продолжающемся протекании тока или прерывании протекания тока. Для этого временное окно должно было бы выполняться по возможности коротким. Однако, с другой стороны, временное окно должно также выбираться настолько длинным, что может приниматься решение с требуемой надежностью. Например, в случае возникающих колебаний высших гармоник, и при продолжающемся протекании тока в течение сравнительно длинного временного интервала (например, в диапазоне половины длительности периода) может возникать плоская характеристика мгновенного тока, таким образом, например, непериодическая характеристика с низкой амплитудой, которая при выборе слишком короткого временного окна могла бы оцениваться как прерывание протекания тока. За счет применения временного окна с адаптивной длительностью могут быть удовлетворены оба требования - скорость и надежность.
В этой связи, конкретно может быть предусмотрено, что для адаптивного установления длительности временного окна, анализ сначала начинается с минимальной длительностью временного окна, и длительность временного окна увеличивается, пока в течение фазы обучения, следующей непосредственно за моментом выдачи сигнала отключения, распознается прерывание протекания тока, причем длительность фазы обучения устанавливается в зависимости от времени реакции силового переключателя.
При этой предпочтительной форме выполнения предпочтительно используется знание о том, что непосредственно после выдачи инициирующего сигнала до фактического срабатывания переключателя проходит специфическое для переключателя время реакции, в течение которого протекание тока еще не может прерываться. Если, таким образом, на основе вышеуказанных критериев в течение фазы обучения с определенной таким образом длительностью распознается прерывание протекания тока, то это может объясняться только к - по отношению к специальной характеристике мгновенного тока - слишком короткой выбранной длительности временного окна. Поэтому временное окно следует соответственно увеличить, пока прерывание протекания тока более не будет устанавливаться. Эта адаптация временного окна должна, однако, заканчиваться в пределах времени реакции силового переключателя, типично, например, 50 мс (2,5 длительности периода при номинальной частоте 50 Гц), так что шаги увеличения длительности временного окна следует соизмерять соответствующим образом.
Согласно другой предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа, может быть предусмотрено, что анализ формы кривой характеристики повторно выполняется в течение максимальной длительности анализа, и генерируется сигнал неисправности переключателя, если в конце максимальной длительности анализа устанавливается продолжающееся протекание тока.
Тем самым надежность распознавания может быть дополнительно повышена, так как окончательное решение о распознавании продолжения или прерывания протекания тока принимается в конце максимальной длительности анализа, и тем самым, на основе нескольких прогонов анализа, а не одного единственного анализа. При этом максимальная длительность анализа, с одной стороны, должна быть выбрана настолько длинной, что при исправном силовом переключателе обычно может устанавливаться прерывание тока, а с другой стороны, настолько короткой, что не может возникать никакой ущерб для сети энергоснабжения или для людей.
В этой связи согласно другой предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа, может быть предусмотрено, что выбор критериев, подлежащих рассмотрению для анализа характеристики, зависит от того, было ли уже распознано прерывание протекания тока в предшествующем прогоне анализа.
Таким способом после распознавания прерывания протекания тока может использоваться упрощенный способ анализа, при котором рассматривается только сокращенное число критериев для оценки характеристики. Однако можно снова возвратиться к полному объему всех критериев, если снова было распознано существование протекания тока.
Другая предпочтительная форма выполнения соответствующего изобретению способа, наконец, предусматривает, что при наличии сигнала неисправности переключателя выдается повторный инициирующий сигнал на силовой переключатель и/или вспомогательный инициирующий сигнал на по меньшей мере один другой силовой переключатель, расположенный перед данным силовым переключателем.
Таким способом можно и при отсутствии размыкания силового переключателя надежно отключить неисправный участок сети энергоснабжения. Так можно за счет повторной выдачи инициирующего сигнала на силовой переключатель предпринять вторую попытку для размыкания. В качестве альтернативы или дополнительно, можно также выдавать вспомогательный инициирующий сигнал на предвключенный силовой переключатель, чтобы надежно отключать неисправный участок. Вспомогательный инициирующий сигнал может также выдаваться с временным запаздыванием относительно повторного инициирующего сигнала для локального силового переключателя, чтобы улучшить локальное выявление неисправности.
Вышеуказанная задача также решается устройством защиты для контроля силового переключателя в электрической сети энергоснабжения. Устройство защиты содержит управляющее устройство, которое выполнено так, чтобы генерировать сигнал неисправности переключателя, указывающий неисправность при размыкании силового переключателя, если после выдачи инициирующего сигнала для силового переключателя распознается продолжающееся протекание тока через силовой переключатель.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что управляющее устройство выполнено так, чтобы для распознавания продолжающегося протекания тока анализировать форму кривой временной характеристики мгновенного тока, протекающего через силовой переключатель.
При этом устройство защиты может быть интегральной составной частью устройства защиты, которое контролирует ограниченный силовым переключателем участок сети энергоснабжения и в случае неисправности выдает инициирующий сигнал на силовой переключатель. Альтернативно, устройство защиты может также представлять собой отдельное устройство.
В отношении соответствующего изобретению устройства защиты справедливы все вышеизложенные и последующие выкладки для соответствующего изобретению способа, и наоборот, соответствующим образом, в частности, соответствующее изобретению устройство защиты выполнено с возможностью осуществления соответствующего изобретению способа в любой форме выполнения или комбинации любых форм выполнения. Также в отношении преимуществ соответствующего изобретению устройства защиты можно сослаться на преимущества, описанные для соответствующего изобретению способа.
Изобретение поясняется далее более подробно на примере выполнения. Конкретное осуществление примера выполнения никоим образом не следует понимать в ограничительном смысле для общего осуществления соответствующего изобретению способа и соответствующего изобретению устройства; напротив, отдельные признаки осуществления примера выполнения могут любым образом свободно комбинироваться между собой и с вышеописанными признаками. При этом на чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - схематичный вид электрической сети энергоснабжения;
Фиг. 2 - блок-схема последовательности действий примера выполнения способа контроля силового переключателя;
Фиг. 3 - примерная диаграмма тока в зависимости от времени для пояснения критерия ʺпериодичностьʺ;
Фиг. 4 - другая примерная диаграмма тока в зависимости от времени для пояснения критерия ʺсвойство затуханияʺ;
Фиг. 5 - другая примерная диаграмма тока в зависимости от времени для пояснения распознавания характеристик, испытывающих влияние насыщения преобразователя;
Фиг. 6 - другая примерная диаграмма тока в зависимости от времени для пояснения критерия ʺамплитудаʺ;
Фиг. 7 - другая примерная диаграмма тока в зависимости от времени для пояснения распознавания характеристик, испытывающих влияние колебаний высших гармоник; и
Фиг. 8 - примерная диаграмма тока в зависимости от времени для пояснения процедуры для адаптивного установления длительности временного окна.
Фиг. 1 показывает в схематичном представлении часть 10 в остальном подробно не показанной электрической сети энергоснабжения. Часть 10 включает в себя сборную шину 11, которая питаются через три подводящие линии 12a-c. В подводящих линиях находятся силовые переключатели 13a-c, посредством которых сборная шина 11 может отсоединяться от соответствующих подводящих линий 12a-c. Сборная шина 11 также запитывает ответвительную линию 12d, которая также может отсоединяться от сборной шины 11 посредством силового переключателя 13d.
Ответвительная линия 12d контролируется схематично показанным на фиг. 1 защитным аппаратом 14 в отношении любых неисправностей, например, коротких замыканий. Для этого защитный аппарат в не показанном на фиг. 1 месте измерения воспринимает измеренные значения, характеризующие рабочее состояние ответвительной линии 12d, например, токи и напряжения, и оценивает их с применением так называемых алгоритмов защиты. Такие алгоритмы защиты могут представлять собой, например, алгоритмы защиты от тока перегрузки, дистанционной защиты или дифференциальной защиты. Эти алгоритмы защиты хорошо известны специалистам в области контроля электрических сетей энергоснабжения и здесь подробно не описываются.
Если защитный аппарат 14 устанавливает, что ответвительная линия 12d в показанном для примера месте 15 неисправности имеет неисправность, то он выдает инициирующий сигнал A на силовой переключатель 13d, чтобы побудить его к размыканию его переключающих контактов и, тем самым, отделить ответвительную линию 12d от сборной шины 11.
Обычно благодаря этому ток, протекающий в месте 15 неисправности, отключается, и, тем самым, неисправность выявляется, так что может выполняться устранение неисправности. Остальная часть сети энергоснабжения может между тем продолжать эксплуатироваться.
В исключительных случаях, однако, может произойти, что ток неисправности не отключается. Это может, например, происходить из-за дефекта силового переключателя 13d или искаженной передачи инициирующего сигнала A. Для того чтобы и в этом случае могла гарантироваться стабильность сети энергоснабжения и безопасность ее эксплуатации, контролируется надлежащее функционирование силового переключателя 13d с помощью устройства 16 защиты. Это устройство 16 защиты либо может быть составной частью защитного аппарата 14, либо может быть выполнено как отдельное устройство. Для выполнения контроля устройство 16 защиты имеет управляющее устройство, например, процессор. Если устройство 16 защиты является составной частью защитного аппарата 14, то оно может для этого обращаться к процессору защитного аппарата 14.
Для контроля того, выполнил ли силовой переключатель 13d отключение надлежащим образом, устройство 16 защиты анализирует ток, протекающий через силовой переключатель 13d после выдачи инициирующего сигнала A. Для этого ток регистрируется преобразователем 17 тока и подается на устройство 16 защиты. Обычно для этого один или несколько аналоговых сигналов тока с помощью A/D-преобразователя преобразуются в цифровые измеренные значения тока. Кроме того, могут выполняться другие, относящиеся к току этапы предварительной обработки, например, вычисление блуждающего тока или тока системы обратной последовательности. Рассматриваемые измеренные значения тока могут, таким образом, представлять собой фазные токи, блуждающий ток (или ток системы нулевой последовательности) или ток системы обратной последовательности. Кроме того, на устройство 16 защиты также подается инициирующий сигнал A защитного аппарата 14, чтобы запустить начало контроля силового переключателя.
neu
H
Если устройство 16 защиты по истечении максимальной длительности анализа распознает продолжающееся протекание тока через силовой переключатель 13d, то оно делает вывод о неисправности силового переключателя 13d и генерирует сигнал неисправности переключателя. Этот сигнал неисправности переключателя может применяться для того, чтобы выдать повторный инициирующий сигнал A на силовой переключатель 13d, чтобы тем самым предпринять вторую попытку разомкнуть силовой переключатель 13d. Альтернативно или дополнительно, сигнал неисправности переключателя может также применяться для того, чтобы выдать вспомогательный инициирующий сигнал A на силовые переключатели 13а-с, расположенные перед силовым переключателем 13d, чтобы разомкнуть их и, тем самым, отключить неисправность. Так как в этом случае вся сборная шина коммутируется обесточенным образом, локальное отключение посредством силового переключателя 13d является предпочтительным, а отключение посредством силовых переключателей 13a-c следует использовать только в случае, когда неисправность не может быть отключена посредством силового переключателя 13d. Поэтому также возможно, сначала осуществить вторую попытку локального отключения посредством силового переключателя 13d, и вспомогательный инициирующий сигнал генерировать только в том случае, когда и по истечении дополнительного интервала времени протекание тока через силовой переключатель 13d не было прервано.
Для быстрого и надежного распознавания успешного прерывания протекания тока через силовой переключатель 13d устройство 16 защиты анализирует временную характеристику мгновенного тока на наличие характеристических признаков. Так как тем самым рассматривается форма кривой характеристики во временной области, не требуется выполнять никакого связанного с временными затратами преобразования в частотную область, так что распознавание успешного прерывания может осуществляться очень быстро.
При анализе формы кривой характеристики устройство 16 защиты предпринимает анализ на присутствие определенных критериев, которые дают указание на продолжение или прерывание протекания тока.
Конкретные критерии, учитываемые при анализе, далее поясняются более подробно со ссылкой на фиг. 2.
Фиг. 2 показывает для этого схематичную диаграмму последовательности действий, на основе которой будет пояснен способ действий при анализе протекания тока через силовой переключатель 13d. По отношению к отдельным критериям дополнительно будут даваться ссылки на фиг. 3-8. Поясняемый в связи с фиг. 2 способ обычно реализуется как программное обеспечение и выполняется управляющим устройством. Также возможна реализация в аппаратных средствах в форме FPGA или ASIC. Последующие обсуждения относятся к возможному примеру выполнения способа контроля силового переключателя. В рамках изобретения отдельные или некоторые этапы способа могут добавляться к поясненным или опускаться.
Показанный на фиг. 2 для примера способ контроля силового переключателя начинается на этапе 20. Активация способа осуществляется при приеме инициирующего сигнала A защитным аппаратом 14 (см. фиг. 1).
На следующем этапе 21 сначала проверяется, прошла ли длительность фазы обучения. Фаза обучения непосредственно примыкает к моменту выдачи инициирующего сигнала A. Ее длительность устанавливается на основе времени реакции силового переключателя 13d, то есть того времени, которое требуется силовому переключателя 13d от приема инициирующего сигнала до размыкания его переключающих контактов. Если длительность фазы обучения не прошла, то способ продолжается на этапе 22, в противном случае происходит переход к этапу 23a.
На этапе 22 адаптивно устанавливается длительность временного окна, применяемого для определения описываемых далее критериев. При этом сначала начинают с кратчайшей возможной длительности временного окна. При следующих прогонах способа, в зависимости от результата анализа, длительность временного окна, при необходимости, увеличивается. Установление длительности временного окна далее поясняется более подробно в связи с фиг. 7 и 8.
На этапах 23a и 23b проверяется критерий ʺпериодичностьʺ, то есть проверяется, имеет ли форма кривой характеристики мгновенного тока признаки периодического сигнала. Периодическая характеристика указывает на продолжающееся протекание тока и, тем самым, на не выполненное размыкание силового переключателя. Признаки, которые указывают на периодичность формы кривой, являются, в частности, локальными экстремумами (максимумами или минимумами) и точками перегиба.
При по существу синусоидальных характеристиках кривых, которые можно обычно принять для характеристики мгновенных токов в сети энергоснабжения, в рассматриваемом временном окне длительностью по меньшей мере в ¼ периода обнаруживаемого основного колебания всегда возникают по меньшей мере один локальный максимум 31, локальный минимум 32 или точка перегиба 33 (см. нанесенные для примера точки на характеристике 30 кривой на фиг. 3). Распознавание этих признаков может осуществляться на основе первой и второй временной производной характеристики мгновенного тока или на основе соответствующего отношения разностей.
Для этого сначала на этапе 23a внутри временного окна с выбранной на этапе 22 длительностью проверяется наличие локальных экстремумов. При локальных экстремумах, отношения разностей первого порядка (1-ая производная), лежащие перед и после экстремума, имеют различные знаки. Если распознается такая смена знака, то характеристика рассматривается как периодическая, и выполняется переход непосредственно к этапу 26.
Если на этапе 23a не установлен никакой локальный экстремум, то затем на этапе 23b проверяется, имеется ли точка перегиба в рассматриваемом временном окне. Для этого контролируется характеристика отношения разностей второго порядка (2-ая производная). Если происходит смена знака в отношении разностей второго порядка, то это является достаточным признаком для точки перегиба, и характеристика рассматривается как периодическая. В этом случае от этапа 23b осуществляется непосредственный переход к этапу 26.
В итоге, рассматриваемый сигнал считается периодическим, если распознается по меньшей мере один из упомянутых признаков: минимум, максимум или точка перегиба. В этом случае могло бы иметься продолжающееся протекание тока. В противном случае индицируется прерывание протекания тока, если сигнал не имеет никаких признаков периодичности.
Если характеристика кривой не имеет никаких признаков периодичности (т.е., могло бы иметь место прерывание тока), способ продолжается на этапе 24. Здесь проверяется, было ли на предыдущем прогоне анализа установлено прерывание тока. Это может, например, распознаваться с помощью предоставленного на предыдущем прогоне способа ʺфлагаʺ (идентификатора). Если текущий прогон является первым прогоном или до сих пор не было установлено прерывания тока, то анализ продолжается на этапе 25a. В противном случае (перед этим уже было установлено прерывание тока) этапы 25a и 25b пропускаются, и способ продолжается прямо на этапе 26. Проверка на этапе 24 имеет, таким образом, своей целью, в целом оптимизировать способ, если существуют указания на прерывание тока. В одном таком случае достаточно проверить периодичность на этапах 23a и 23b. Если они не указывают на возобновление протекания тока, то последующие этапы 25a и 25b анализа в текущем прогоне опускаются. Проверка на этапе 24 может при этом относиться к непосредственно предыдущему прогону анализа, к некоторому числу предыдущих прогонов анализа (например, трем последним прогонам) или всем предыдущим прогонам. Алгоритм проверки следует в этом месте адаптировать в соответствии с выбором.
Наряду с периодичностью, также критерий наличия свойства затухания представляет собой важный критерий, на основе которого может приниматься решение о том, продолжается ли протекание тока, или оно было прервано. В частности, после отключения тока часто возникают процессы затухания. Так как они могут быть относительно сильноточными, распознавание снижения тока может испытывать их влияние и существенно замедляться. Однако с помощью следующего предложенного критерия они могут эффективно подавляться и не приводят к замедлению способа, так как процессы затухания с помощью упомянутых критериев могут очень хорошо идентифицироваться и различаться от других явлений, таких как насыщение.
1
Это поясняется с помощью примерной характеристики, показанной на фиг. 4. При размыкании переключающих контактов силового переключателя в момент времени t=t представленная на фиг. 4 характеристика 40, с одной стороны, не имеет никаких признаков периодичности, а с другой стороны, медленно затухает. Такое свойство затухания, наряду с фактом отсутствия периодичности, указывает на прерванное протекание тока.
Для того чтобы иметь возможность распознавать свойство затухания, следует учитывать градиент характеристики. Если он в рассматриваемом временном окне продолжительно положителен или отрицателен, то это указывает на наличие свойства затухания. Фиг. 4 показывает только в качестве примера градиент 41 характеристики в момент времени t=t*.
Затруднение при рассмотрении одного только градиента характеристики состоит в том, что также в случае имеющего место насыщения преобразователя могут возникнуть области характеристики мгновенного тока, которые выражены посредством продолжительно положительного или отрицательного градиента. Это иллюстрируется в качестве примера на фиг. 5.
Представленная на фиг. 5 характеристика 50 показывает периодический сигнал, который, ввиду насыщения преобразователя в определенных областях (например, области 51), не имеет признаков периодичности, а вместо этого имеет продолжительно отрицательный градиент. В качестве примера показан существующий к моменту времени t=t** градиент 52. Если рассматриваемое временное окно в случае фиг. 5 не регистрирует никаких локальных экстремумов и никакой точки перегиба, то можно было бы при одном только рассмотрении градиента принять ошибочное решение о наличии свойства затухания.
Поэтому критерий свойства затухания дополнен признаком, состоящим в том, что только тогда может делаться вывод о наличии свойства затухания, когда отрицательный градиент возникает вместе с (рассматриваемым во временном окне) положительным средним значением тока или положительный градиент вместе с отрицательным средним значением тока. При этом среднее значение тока предпочтительно рассматривается как арифметическое среднее. Как можно видеть при сравнении фиг. 4 и 5, такой случай имеет место для характеристики 40 на фиг. 4, однако на характеристике 50 на фиг. 5 совместно возникают отрицательный градиент и отрицательное среднее значение тока.
При этом для анализа характеристики мгновенного тока на этапе 25a сначала проверяется, имеет ли место положительный градиент совместно положительным средним значением тока (в рассматриваемом временном окне). Если это имеет место, то это указывает на имеющееся насыщение, и способ продолжается на этапе 26. Если условие этапа 25a не выполняется, то способ продолжается на этапе 25 с обратной проверкой, а именно, имеет ли место отрицательный градиент совместно с отрицательным средним значением тока. Если это имеет место, то это указывает на имеющееся насыщение, и способ продолжается на этапе 26. Если условие этапа 25b не выполняется, градиент и среднее значение тока должны иметь различные знаки, что указывает на свойство затухания.
Если на этапах 23a и 23b не была установлена периодичность, а на этапах 25a и 25b было установлено свойство затухания, то можно исходить из того, что протекание тока, как желательно, было прервано. На этапе 27a, таким образом, для текущего прогона анализа принимается решение, что имеет место прерывание протекания тока, т.е., что силовой переключатель разомкнут. Для этого может быть установлен, например, соответствующий флаг, который указывает прерывание протекания тока и используется в дальнейшем выполнении способа (например, на этапе 28 или на последующем прогоне на этапе 24). Затем анализ продолжается на этапе 28.
Этап 26 выполняется, если при одной из предыдущих проверок было распознано указание на продолжающееся протекание тока. Это, в частности, тогда имеет место, когда характеристика является периодической или когда не могло быть установлено никакое свойство затухания. На этапе 26 определяется амплитуда характеристики и сравнивается с пороговым значением амплитуды. Для более простого определения амплитуды, она может определяться как расстояние между двумя следующими друг за другом локальными экстремумами (амплитуда между пиковыми значениями или размах). Это поясняется на фиг. 6 более подробно.
0
1
Фиг. 6 показывает примерную характеристику 60 мгновенного тока. К моменту времени t=t возникает неисправность, которая к моменту времени t=t отключается путем размыкания переключающих контактов силового переключателя. В течение длительности существующей неисправности распознается сравнительно большая амплитуда 61 между пиковыми значениями (размах); после отключения неисправности характеристика 60, напротив, имеет лишь заметно меньший размах амплитуды 62.
Если в результате проверки размаха амплитуды в рассматриваемом временном окне характеристики на этапе 26 установлено, что он лежит ниже порогового значения амплитуды, делается вывод о прерывании протекания тока, и способ продолжается на этапе 27a (см. выше).
Согласно представлению на фиг. 2, критерий амплитуды является приоритетным по отношению к критерию периодичности, т.е., делается вывод о прерывании даже в том случае, когда еще могут распознаваться признаки периодичности. В этом случае следует выбирать критерий амплитуды соответственно строгим, т.е. следует задавать меньшее пороговое значение, которое с высокой надежностью указывает на прерванное протекание тока. Однако другие варианты осуществления, при которых критерии периодичности и амплитуды обрабатываются скоординированным образом, также возможны.
Когда, напротив, на этапе 26 установлено, что не произошел спад ниже порогового значения амплитуды, то это указывает - наряду с наличием периодичности и отсутствием свойства затухания - на продолжающееся протекание тока. Соответственно, на следующем этапе 27b распознается продолжающееся протекание тока и обозначается, например, посредством выдачи соответствующего флага. Затем способ продолжается на этапе 28.
На этапе 28 проверяется, истекло ли время анализа. Если это имеет место, то способ заканчивается, и выдается текущее решение о том, имеет ли место прерывание тока (этап 27a) или продолжающееся протекание тока (этап 27b). Если установлено продолжающееся протекание тока, то устройство защиты генерирует сигнал неисправности переключателя (см. фиг. 1). Если, напротив, интервал времени анализа еще не истек, то запускается новый прогон способа на этапе 21. При этом принятое на этапах 27a или 27b решение передается, например, путем установки соответствующего флага.
Далее поясняется процедура при адаптивной установке длительности временного окна (этап 22).
Как можно видеть из фиг. 7, могут возникать случаи, в которых характеристика мгновенного тока в определенных областях, которые могут занимать до половины длительности периода, не имеет ни признаков периодичности, ни амплитуды, которая лежит выше порогового значения амплитуды. Это может, в частности, возникать тогда, когда возникают значительные составляющие гармонических колебаний высших гармоник. Фиг. 7 показывает в этом отношении в качестве примера характеристику 70, которая - что обусловлено суперпозицией колебаний высших гармоник - имеет области 71, которые характеризуются отсутствием периодичности и амплитудой, близкой к нулю. Соответственно предыдущим объяснениям, это должно было бы указывать - при неблагоприятной длительности и положении временного окна - на прерывание протекания тока, которое, однако, в реальности не имеет места. Поэтому подходящий выбор длительности временного окна, особенно при наличии колебаний высших гармоник, является решающим для надежного выполнения способа контроля силового переключателя. При отсутствии колебаний высших гармоник, напротив, статическое, выбранное слишком длинным временное окно излишне долго задерживало бы время до принятия решения.
Поэтому временное окно адаптивно согласуется с действительными условиями характеристики. Для этого в течение фазы обучения, непосредственно примыкающей к моменту времени выдачи инициирующего сигнала, выполняется анализ, как представлено на фиг. 2. Если, однако, в течение фазы обучения распознается прерывание протекания тока, то для последующего прогона способа временное окно удлиняется. В основе этой процедуры лежит знание о том, что в течение фазы обучения, т.е. от момента времени выдачи инициирующего сигнала до фактического размыкания переключающих контактов силового переключателя не может возникнуть никакого прерывания протекания тока, так как переключающие контакты в этом интервале времени еще не разомкнуты. Если в фазе обучения распознается прерывание протекания тока, то это, следовательно, может быть объяснено ненадлежащим выбором длительности временного окна. Поэтому длительность временного окна затем увеличивается, пока результаты не укажут ожидаемое продолжающееся протекание тока. По окончании фазы обучения длительность временного окна фиксируется, так как с этого момента прерывание протекания тока действительно может произойти. Типичные значения длительности фазы обучения примерно соответствуют 1,5 длительностям периода.
0
A
1
Эта процедура далее кратко поясняется со ссылкой на фиг. 8. Фиг. 8 показывает примерную характеристику 80 мгновенного тока. Можно видеть к моменту времени t=t возникновение неисправности, которая, в числе прочего, сопровождается скачкообразным нарастанием амплитуды. В момент времени t=t алгоритм защиты защитного аппарата распознает наличие неисправности и выдает инициирующий сигнал A. Тем самым устанавливается начало фазы обучения. К моменту времени t=t силовой переключатель размыкает свои переключающие контакты, посредством чего устанавливается конец фазы обучения. Длительность фазы обучения выбирается в зависимости от времени реакции силового переключателя. Это время реакции силового переключателя обычно устанавливается как характеристическое свойство силового переключателя и указывается изготовителем переключателей в технических данных силового переключателя.
1
В пределах фазы обучения находится испытывающая влияние колебаний высших гармоник область характеристики 80, которая при слишком коротком выборе длительности временного окна могла бы привести к распознаванию прерывания протекания тока. Так как, однако, для фазы обучения наличие прерывания протекания тока исключается, как упомянуто выше, временное окно адаптивно настраивается посредством соответствующего увеличения его длительности. К моменту времени t=t установление длины временного окна должно быть завершено; с этого момента времени может распознаваться как прерывание протекания тока, так и продолжающееся протекание тока.
E
К моменту времени t=t длительность времени анализа истекает. Если к этому моменту времени еще установлено продолжающееся протекание тока, то генерируется сигнал неисправности переключателя с вышеописанными последствиями. В примере согласно фиг. 8, хотя продолжает существовать периодичность характеристики, однако амплитуда постепенно убывает и к концу длительности времени анализа оказывается ниже порогового значения амплитуды, так что распознается прерывание протекания тока, и в соответствии с этим не генерируется сигнал неисправности переключателя.
Хотя изобретение было детально проиллюстрировано и описано выше на предпочтительных примерах выполнения, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и специалисты в данной области техники могут получить другие варианты без отклонения от объема защиты приложенной формулы изобретения.