Цифровое устройство защиты для электрической подстанции

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к средствам релейной защиты.
В электротехнике широко известно автономное устройство защиты, устанавливаемое на присоединениях силовых узлов электрических подстанций [1]. Оно содержит датчики тока защищаемого присоединения, выключатель защищаемого присоединения, индивидуальное устройство защиты, входы которого подключены к выходам датчиков тока защищаемого присоединения, а выход индивидуального устройства защиты подключен к входу управления выключателя защищаемого присоединения. Автономное устройство защиты устанавливается на каждом присоединении всех силовых узлов электрической подстанции. Каждое автономное устройство защиты контролирует с помощью датчиков токи только соответствующего (своего) присоединения, и, в случае превышения контролируемым током порогового уровня, отключает соответствующее (свое) присоединение силового узла электрической подстанции.
Недостатком известного автономного устройства защиты является то, что достоверность выявления повреждения низка, поскольку оно контролирует токи (сигналы) только одного (своего) присоединения, на котором оно установлено и не использует информацию о токах других присоединений.
Наиболее близким по технической сущности решением является централизованное устройство, выполняющее функции защиты и использующее при этом токи группы силовых присоединений электрических подстанций [2].
В этом централизованном устройстве защиты датчики тока силовых присоединений и входы управления выключателей силовых присоединений подключены к общему (центральному) блоку, реализующему алгоритмы релейной защиты (выявления поврежденных присоединений и отделения их от исправной части подстанции). В связи с этим, имеется возможность в алгоритмах релейной защиты использовать токи других (соседних) присоединений, использовать больше исходной информации. Благодаря этому централизованное устройство-прототип [2] обеспечивает более высокую степень достоверности и селективности выявления повреждений по сравнению с автономным устройством-аналогом [1].
Недостатком известного решения является низкая в целом надежность устройства-прототипа, так как в нем имеются элементы, выход из строя которых приводит к потере основной функции защиты. В частности, при выходе из строя датчика тока присоединения или канала связи датчика с общим (центральным) устройством, повреждение на этом присоединении останется незамеченным, что может привести к развитию аварийной ситуации.
Целью предложенной полезной модели является повышение достоверности и селективности работы устройства защиты за счет косвенных измерений и централизованного резервирования.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем датчики тока присоединений силового узла подстанции, цифровую шину передачи токов присоединений силового узла подстанции, выключатели присоединений силового узла подстанции, цифровую шину передачи сигналов управления выключателями присоединений силового узла подстанции, устройство управления подстанцией, выходы датчиков тока присоединений силового узла подстанции присоединены к цифровой шине передачи токов присоединений силового узла подстанции, выключатели своими входами управления подключены к цифровой шине передачи сигналов управления выключателями присоединений силового узла подстанции, дополнительно введены устройство управления присоединениями силового узла подстанции и общеподстанционная цифровая шина передачи данных, которая присоединена через порт к устройству управления подстанцией и присоединена к устройству управления присоединениями силового узла подстанции через его первый порт, цифровая шина передачи токов присоединений силового узла подстанции присоединена к устройству управления присоединениями силового узла подстанции через второй порт, цифровая шина передачи сигналов управления выключателями присоединений силового узла подстанции присоединена к устройству управления присоединениями силового узла подстанции через третий порт.
Кроме этого общеподстанционная цифровая шина передачи данных, присоединена к каждому имеющемуся на подстанции устройству управления присоединениями силового узла подстанции через его соответствующий первый порт.
Причем, количество устройств управления присоединениями силового узла подстанции равно количеству силовых узлов подстанции.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых блоков: устройство управления присоединениями силового узла подстанции, общеподстанционная цифровая шина передачи данных и их связями с остальными элементами устройства.
Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что при их введении в заявляемое устройство повышается степень достоверности и селективности действия защиты. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Это свойство проявляется следующим образом. При наличии исправных датчиков тока и выключателей на каждом присоединении силового узла подстанции в устройстве управления присоединениями силового узла подстанции имеются токи всех присоединений. По первому закону Кирхгофа сумма токов (с учетом их направления, положительного или отрицательного знака) всех присоединений силового узла равна нулю [3]. Если датчик тока одного из присоединений, или его канал связи с устройством управления присоединениями силового узла подстанции выйдет из строя и информация о токе этого присоединения не будет поступать в устройство управления присоединениями силового узла подстанции, то ток присоединения вычисляется в соответствии с первым законом Кирхгофа как сумма токов других присоединений с обратным знаком. Имея полученную косвенным способом информацию о токе присоединения, датчик тока которого вышел из строя, устройство управления присоединениями силового узла подстанции контролирует ток этого присоединения и выявляет возможные повреждения (например, короткие замыкания) на этом присоединении. Таким образом, сохраняются функции релейной защиты, что повышает степень достоверности и селективности действия защиты.
На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового устройства защиты для электрической подстанции.
Цифровое устройство защиты для электрической подстанции в соответствии со структурной схемой (фиг. 1) содержит: датчики 1 тока присоединений силового узла подстанции; цифровую шину 2 передачи токов присоединений силового узла подстанции; выключатели 3 присоединений силового узла подстанции; цифровую шину 4 передачи сигналов управления выключателями присоединений силового узла подстанции; устройство 5 управления присоединениями силового узла подстанции; общеподстанционную цифровую шину 6 передачи данных; устройство 7 управления подстанцией; блок 8 управления силовым узлом подстанции, в который входят датчики 1, цифровые шины 2 и 4, выключатели 3 и устройство 5 управления присоединениями силового узла подстанции.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме сигналы от датчиков 1 тока присоединений силового узла подстанции поступают через цифровую шину 2 передачи токов присоединений силового узла подстанции в устройство 5 управления присоединениями силового узла подстанции. В качестве датчиков тока могут использоваться любые устройства, осуществляющие измерение тока, с цифровым выходом. Информация о токах присоединений и состоянии выключателей из устройства 5 по общеподстанционной шине 6 передается в устройство 7 управления подстанцией. Это устройство осуществляет управление элементами подстанции по командам оперативно-диспетчерского управления. Элементы 1-5 и соответствующие связи образует блок 8 управления силовым узлом подстанции.
В устройстве 5 управления токи всех присоединений контролируются программами, осуществляющими релейную защиту по токовому принципу. Например, в токовых отсечках и максимальных токовых защитах токи присоединений сравниваются с пороговыми значениями, и если ток присоединения превышает пороговое значение, то делается вывод о том, что присоединение повреждено, и это соответствующее присоединение отключается соответствующим выключателем 3 по команде устройства 5 управления присоединениями силового узла подстанции. Команда на отключение передается по цифровой шине 4 передачи сигналов управления выключателями.
Если в процессе нормальной работы силового узла подстанции ток одного из присоединений не будет поступать в устройство управления присоединениями силового узла подстанции, то ток этого присоединения вычисляется в соответствии с первым законом Кирхгофа как сумма токов других присоединений с обратным знаком. Измеренный таким косвенным способом ток присоединения передается в программу, реализующую релейную защиту этого присоединения, и контролируется этой программой. В случае превышения током присоединения, измеренным косвенным способом, устройство управления 5 (так же, как и при непосредственном измерении тока присоединения) формирует и передает по цифровой шине 4 команду соответствующему выключателю 3 на отключение соответствующего присоединения.
В известных системах релейной защиты, при потере информации о токе присоединения, повреждения на этом присоединении остаются незамеченными, что снижает достоверность и селективность действия релейной защиты и может вызвать развитие аварийной ситуации.
Благодаря возможности измерять ток присоединения силового узла подстанции косвенным способом по токам других присоединений в устройстве управления присоединениями силового узла подстанции достигается повышение степени достоверности и селективности действия защиты по сравнению с известными системами релейной защиты для подстанций. Кроме этого, реализуется централизованное резервирование защит присоединений без снижения быстродействия и увеличения количества отключаемых присоединений, что повышает надежность и техническое совершенство защит всех присоединений силового узла подстанции.
Источники информации:
1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.
2. Автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции // Дорофеев И.Н., Иванов Д.В. RU №2468407, G05B 19/00, H02J 13/00. Опубликовано 27.11.2012, Бюл. №:33.
3. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1969. - 424 с.