СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА
METHOD OF RELAY PROTECTION OF POWER OBJECT

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике и может быть использовано во всех видах защит, преимущественно микропроцессорных. Оно относится к тому направлению в релейной защите, основы которого были заложены изобретением [1], где впервые поставлена и решена задача объединения информации, поступающей из различных фаз наблюдаемого объекта. Актуальность технических решений, связанных с объединением информации, значительно возросла с появлением микропроцессорной техники. Изобретения [2, 3] решили задачу объединения априорной информации о наблюдаемом объекте с текущей информацией о двух режимах: первый режим короткого замыкания, второй - тот, что предшествовал короткому замыканию. Однако область применения этих технических решений ограничена линиями передачи.
Более общее решение - способ релейной защиты произвольного энергообъекта [4], в котором удалось объединить априорную информацию об энергообъекте с наблюдаемыми величинами путем совместного преобразования в двумерные сигналы и задания характеристик защиты на плоскостях двумерных сигналов. Недостатком данного предложения стало предварительное разбиение плоскостей на ячейки, кодирование групп ячеек и выбивание тех кодов, при которых имеет место срабатывание в режимах, альтернативных контролируемым. Контролируемые режимы (α-режимы) - те, в которых защита призвана срабатывать. Альтернативные режимы (β-режимы) - те, срабатывание в которых означает нежелательное действие защиты. Как тщательно ни проводилось бы обучение защиты, нет гарантии, что не будет пропущен какой-либо из кодов срабатывания в альтернативном режиме, а это означает риск неселективного поведения защиты. Существует и бескодовый способ защиты, но опять-таки с ограниченным применением для линий электропередачи [5].
Дальнейшее развитие данного направления пошло по пути разделения функций срабатывания релейной защиты в контролируемых режимах и функций блокирования в альтернативных режимах [6], а также введения операции обучения реле - модулей микропроцессорной защиты [7]. Однако в перечисленных источниках новые технические операции еще не составляли единого целого.
Наиболее эффективен способ релейной защиты, представленный в [8]. Согласно ему, релейная защита предстает в виде системы, обучаемой учителями - имитационными моделями защищаемого энергообъекта. Используются имитационные модели двух типов. Первые воспроизводят α-режимы. Релейная защиты призвана срабатывать в α-режимах. Вторые воспроизводят β-режимы, в которых срабатывание защиты запрещается. Релейная защита компонуется модулями двух типов: первые формируют сигнал на срабатывание, а вторые - на блокирование защиты. В обсуждаемом способе, являющемся прототипом нового технического решения, принципиальную роль играет разграничение модулей каждого типа в соответствии с принимаемой с самого начала иерархией. Такая необходимость накладывает существенные ограничения на функциональные возможности способа, снижает его общность, делая менее универсальным, чем могло бы быть, если бы все модули одного типа, образующие единую группу, были равноправны и вносили свой предельно возможный вклад в распознавание аварийной ситуации на энергообъекте.
Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и универсализации способа релейной защиты энергообъекта.
Поставленная цель достигается тем, что в известный способ защиты энергообъекта путем построения ее из модулей двух типов внесены принципиальные изменения в части его структуры и операций обучения модулей. Как и в прототипе, модули первого типа формируют сигнал на срабатывание, а модули второго типа - на блокирование. Информация о состоянии энергообъекта преобразуется в двумерные сигналы. Каждый сигнал отображается на его уставочной плоскости. Модули разных типов обучаются от разных имитационных моделей. Первые модели воспроизводят контролируемые режимы энергообъекта, например режимы короткого замыкания в контролируемой зоне. Вторые модели воспроизводят альтернативные режимы. Обучение защиты заключается в отображении множеств режимов на плоскостях двумерных сигналов и в определении границ областей отображений. Но в отличие от прототипа все модули обучаются параллельно, без разделения на основной и дополнительные. Модули первого типа обучаются всеми контролируемыми режимами, а модули второго типа, и в этом заключается весьма существенный признак изобретения, - только теми альтернативными режимами, которые вызывают срабатывание всех без исключения модулей первого типа. Далее выходы всех равноправных модулей первого типа объединяют по схеме И. Выходы всех столь же равноправных модулей второго типа объединяют также по схеме И, но с инверсным выходом, блокирующим первую схему И.
Основной пункт формулы изобретения инвариантен по отношению к имитационным моделям и к диапазонам изменения варьируемых параметров. Во втором пункте предусмотрена дополнительная операция определения контролируемых режимов, которые вызывают срабатывание всех модулей второго типа, блокируя тем самым действие релейной защиты. Следовательно, данная операция выявляет контролируемые режимы, которые не удалось распознать защите, прошедшей только один этап обучения.
Наконец, в третьем пункте формулы изобретения представлены операции, организующие многоэтапный процесс обучения релейной защиты с повышением ее распознающей способности от этапа к этапу. Вводятся иерархические группы модулей обоих типов, по одной группе на каждом этапе. Модули разных типов, как и раньше, обучают по-разному. Модули первого типа на каждом этапе обучают частью тех контролируемых режимов, что вызвали срабатывание всех без исключения модулей второго типа предыдущего этапа, а модули второго типа обучают теми альтернативными режимами, которые вызывают срабатывание всех без исключения модулей первого типа своей иерархической группы. Каждая иерархическая группа модулей после обучения включается автономно по той же схеме, что и основные модули двух типов, прошедшие обучение на первоначальном этапе формирования структуры релейной защиты. Таким образом, способ релейной защиты, охватываемый всеми пунктами формулы изобретения, характеризуется последовательностью операций, выполняемых столько раз, сколько требуется для максимально полного распознавания контролируемых режимов.
β
1
2
n
1
2
n
T
На фиг.1 и 2 изображены структурные схемы первого этапа обучения релейной защиты, осуществляемого от имитационных моделей сначала контролируемых режимов, а затем - альтернативных режимов. Контролируемые режимы задаются начальной областью значений варьируемых параметров , а альтернативные режимы - областью G значений параметров соответствующей модели. На фиг.3 показана структурная схема релейной защиты, реализующая предлагаемый способ в соответствии с первым пунктом формулы изобретения. Вектор z=[z,z,…z] обозначает замер, т.е. совокупность двумерных сигналов z,z,…z, поступающих на измерительные органы (модули) релейной защиты. Фиг.4 иллюстрирует операцию определения подмножества  α-режимов, которые не удалось распознать в ходе обучения защиты исходным множеством этих режимов . Операция соответствует второму пункту формулы изобретения. Фиг.5, 6 относятся ко второму этапу обучения релейной защиты, в структуре фиг.5 обучение осуществляет часть  режимов . Дробление множества касается только α-режимов. Множество β-режимов всегда используется в полном объеме, что нашло свое отражение на фиг.6. Иллюстрации по фиг.5 и 6 относятся к последнему пункту формулы изобретения, а последняя иллюстрация (фиг.7) поясняет все этапы обучения релейной защиты: основной (первоначальный) и последующий, от которого все остальные этапы, если в них будет необходимость, принципиально ничем не отличаются.
Далее используются следующие понятия, обозначения и сокращения:
x - вектор варьируемых параметров имитационной модели;
z - вектор замера, который поступает на модули (измерительные органы) релейной защиты;
α - символ контролируемых режимов, реагировать на которые призвана релейная защита;
β - символ альтернативных режимов, на которые реагировать не следует;
G - область определения варьируемых параметров имитационных моделей;
i
z - i-й двухмерный сигнал;
i
S - область срабатывания релейного модуля на плоскости i-го сигнала;
i
i
F - оператор преобразования режима x имитационной модели в сигнал z;
i
i
ES - обозначение операции обучения i-го модуля релейной защиты, состоящей в преобразовании области G в область срабатывания S;
i
R - обозначение релейного модуля (реле) с областью срабатывания, определившейся по результатам обучения релейной защиты;
α
x - вектор параметров модели контролируемых режимов;
β
x - вектор параметров модели альтернативных режимов;
α
α
G - область определения вектора x или множество α-режимов;
β
β
G - область определения вектора x или множество β-режимов;
- заданная (исходная) область α-режимов;
αi
R - обозначение модулей, обученных срабатывать в α-режимах и нацеленных на срабатывание защиты;
αβi
R - обозначение модулей, обученных срабатывать как в α-, так и в β-режимах и нацеленных на блокирование защиты;
α
α
αβ
EG - обозначение селектора α-режимов, выделяющего из области G подобласть (подмножество) G α-режимов, оставшихся нераспознанными релейной защитой на проведенном ранее этапе ее обучения.
Примечание. Верхние индексы, заключенные в скобки, указывают этап обучения защиты: индекс (0) - основной (первоначальный этап), индекс (1) - последующий этап; возможны и дальнейшие этапы, они совершаются по схемам фиг.4-6, а обученные модули иерархической последовательности соединяются всякий раз по схеме фиг.3.
αi
αi
αi
Основной этап обучения релейной защиты состоит из двух процедур. Первая проходит по схеме фиг.1, состоящей из имитационной модели контролируемых режимов 1, которой задана область изменения параметров , преобразователей 2-4, реализующих операции , обучающих блоков 5-7, которые выполняют техническую операцию триангуляции (окаймления) множества точек z, образующих область S, и модулей первого типа 8-10, представляющих собой реле с плоской областью срабатывания S.
β
Вторая процедура проходит по схеме фиг.2, состоящей из имитационной модели альтернативных режимов 11 с заданной областью изменения параметров G, преобразователей 12-14, реализующих операцию  и, модулей первого типа 8-10 с определившимися ранее областями срабатывания , элемента И 15, обучающими блоками 16-18, отличающимися от аналогичных блоков 5-7 дополнительными блокирующими входами 19-21, ограничивающими обучение модулей второго типа 22-24 пределами определенных ранее областей срабатывания  модулей первого типа 8-10. В результате будут получены области срабатывания < модулей 22-24.
По завершении обучения, состоящего из двух процедур по фиг.1 и 2, формируется структура защиты (фиг.3) с модулями первого и второго типов 8-10 и 22-24, элементами И 15, 25, объединяющими модули одного типа, и оконечным элементом И 26. Тем самым завершается начальный этап обучения и формирования структуры защиты в точном соответствии с первым пунктом формулы изобретения. Следовательно, операции, осуществляемые обучающими структурами по фиг.1, 2 и результирующей структурой защиты по фиг.3, самодостаточны.
α
α
Операции, осуществляемые схемами по фиг.4-6, вносят в предлагаемый способ дополнительные черты. Обучающая структура по фиг.4 вновь обращается к имитационной модели α-режимов 1 с областью определения  и с помощью преобразователей 2-4 подвергает испытанию модули второго типа 22-24, прошедшие ранее обучение и получившие области срабатывания . Селектор α-режимов 27 получает от схемы И 25 разрешающий сигнал на передачу в элемент памяти 28 значения вектора параметров x. Так происходит всякий раз, когда срабатывают модули второго типа 22-24. Следовательно, в элементе памяти 28 накапливается множество значений x, не поддающихся распознаванию обученной одноэтапным способом структуры релейной защиты по фиг.3. Это множество режимов обозначается  и составляет некоторую часть заданной области α-режимов: ⊂.
Очередной, в данном случае второй, этап обучения релейной защиты так же, как и первоначальный, состоит из двух процедур. Структурная схема первой процедуры (фиг.5) отличается от аналогичной схемы по фиг.1 только областью изменения параметров имитационной модели. Модель с областью  отмечена номером 1, а та же модель, но с областью , составляющей часть множества нераспознанных режимов , отмечена номером 29. Цель этой структуры - обучить дополнительную группу модулей первого типа 30-32, которые получают свои характеристики срабатывания .
β
Вторая процедура нового этапа - обучение дополнительных модулей второго типа (фиг.6). Имитационная модель 11 и область параметров G - те же, что и на первоначальном этапе обучения защиты (фиг.2). Отличие от структуры по фиг.2 только в том, что место основных модулей первого типа 8-10 здесь занимают дополнительные модули 30-32, а в результате обучения формируются области срабатывания  дополнительных модулей второго типа 33-35.
β
На фиг.7, иллюстрирующей процедуры обучения релейной защиты, слева показаны области определения параметров  и G имитационных моделей α- и β-режимов. Области помечены теми же номерами 1 и 11, что и соответствующие модели на фиг.1 и 2. Справа от объектных областей во второй и третьей колонках показаны области срабатывания модулей релейной защиты. Номера областей совпадают с номерами соответствующих модулей. Преобразования режимов в замеры на фиг.7 изображены линиями со стрелками, отмечены теми же номерами, что и соответствующие блоки на фиг.1-6. Исключение составляют подобласти распознаваемых режимов 36, 37, обозначенные  и , которые ранее не упоминались. Кроме того, последняя строка на фиг.7 не отображена в структурных схемах, при необходимости ей можно поставить в соответствие схему, аналогичную фиг.4, но с имитационной моделью . Диаграммы на фиг.7 сопровождены поясняющими выражениями принадлежностями, касающимися преобразований, ограничиваемых условием срабатывания всех модулей того или иного типа.
Рассмотрим действие предлагаемого способа, выделяя этапы, процедуры обучения и технические операции.
αi
αi
α
1. Первый этап, первая процедура (фиг.1 и 7,a). Имитационная модель α-режимов 1 генерирует сигналы α-режимов . Преобразователи 2-4 формируют двумерные сигналы замеры z=F(x). Обучающие блоки 5-7 отображают замеры на соответствующих плоскостях и формируют на них области срабатывания  модулей первого типа 8-10. На фиг.7 показаны только первая и последняя области  и  из общего числа n.
β
βj
β
fβ
fβ
β
β
2. Первый этап, вторая процедура (фиг.1 и 7,б). Здесь действует имитационная модель β-режимов 11. Заметим, что область изменения параметров этой модели Gпоказана более обширной, чем , и более того, неограниченной по, как минимум, одному из параметров x - элементу вектора x. Дело в том, что чувствительность релейной защиты к α-режимам заведомо ограничена, в то время как отстройка от β-режимов ограничений не имеет. Так, например, если R - переходное сопротивление при коротком замыкании вне зоны действия защиты, то ни при каком значении этого параметра от нуля до бесконечности срабатывание защиты недопустимо. Кстати, при R→∞ получаем нормальный режим защищаемого объекта, безусловно принадлежащий к категории β-режимов. Отличие от предыдущей процедуры заключается в том, что из всего множества режимов x∈G теперь отбираются лишь те, что отображаются во всех ранее полученных областях ; соответствующее условие имеет вид
Если оно выполняется, то срабатывают все модули первого типа 8-10, включают элемент И 15, который снимает блокирующий сигнал с обучающих блоков 16-18, и они начинают действовать точно так же, как ранее блоки 5-7. В итоге на больших или меньших частях областей  разместятся области β-режимов  Двойной индекс свидетельствует о том, что эта подобласть более крупной области . Обведенные жирными линиями на фиг.7,б, эти подобласти служат областями срабатывания модулей второго типа 22-24.
3. Первый этап, компоновка структурной схемы релейной защиты (фиг.3). Прошедшие обучение модули двух типов 8-10 и 22-24 объединяются своими схемами И 15, 25, вторая с инверсным выходом, и воздействуют на оконечную схему И 26.
1
2
n
T
Входные сигналы z=[z,z,…z] - вектор замера, поступающий на этот раз не от имитационных моделей, а от реального объекта. Схема срабатывает при двух условиях. Во-первых, должны сработать все без исключения модули первого типа 8-10, а во-вторых, не должно произойти срабатывания всех без исключения модулей второго типа 22-24. Если второе условие будет нарушено, то элемент И 25 снимет свой выходной сигнал со входа элемента И 26, блокируя тем самым работу релейной защиты. Подобная ситуация складывается, если объект работает в β-режиме, для чего, собственно, и необходима блокировка. К сожалению, подобная ситуация складывается и в некоторых α-режимах, вследствие чего удается распознать не всю заданную область α-режимов , а только некоторую ее часть . Вторая часть  распознаванию пока что не поддалась. Три описанные операции включают в себя все основные признаки предполагаемого способа. Далее идут дополнительные признаки.
α
α
αi
αβi
α
4. Второй этап. Начальная процедура: разграничение области α-режимов G на две объектные области и  (фиг.4 и 7,в). Здесь вновь используется имитационная модель α-режимов 1, которая создает режимы x, преобразуемые в замеры z. На этот раз тестируются модели второго типа 22-24 с их областями срабатывания S. В случае совместного срабатывания всех модулей элемент И 25 снимает блокирующий сигнал с селектора режимов 27, и на его выход поступает значение соответствующего объектного вектора x, которое запоминается элементом 28. В итоге в этом элементе памяти формируется область режимов , отвечающая условию
Разность между областями  и  определяет область 36 режимов  вторые распознаются структурной схемой по фиг.3.
Назначение последующих этапов - сократить размеры области α-режимов, не поддавшихся распознаванию. Поэтому при переходе к дальнейшему обучению релейной защиты, объектная область  разделяется, как минимум, на две части. Одна из них, обозначаемая как  займет место объектной области  в последующих процедурах.
2.1. Второй этап, первая процедура (фиг.5 и 7,г). На этом этапе сначала происходит обучение дополнительных модулей первого типа 30-32 от имитационной модели α-режимов 1 с объектной областью . Итогом обучения станут области срабатывания этих модулей  - некоторые части областей срабатывания основных модулей второго типа 22-24.
β
2.2. Второй этап, вторая процедура (фиг.6 и 7,д). Вслед за дополнительными модулями первого типа 30-32 совершается обучение дополнительных модулей второго типа 33-35. Схема обучения не имеет принципиальных отличий от первоначальной схемы обучения по фиг.2, так как в имитационной модели β-режимов 11 не требуется изменять область определения ее параметров, это по-прежнему G. Место основных модулей первого типа 8-10 (фиг.2) в новой процедуре занимают дополнительные модули 30-32, а итогом обучения становятся области срабатывания  дополнительных модулей второго типа.
2.3. Второй этап, компоновка структуры. Ввиду стереотипности этой процедуры дополнительной иллюстрации не требуется. Структурная схема защиты из дополнительных модулей формируется точно так же, как основная схема по фиг.3. Каждая из подобных схем защиты действует независимо от остальных схем, т.е. их выходы объединяются логической операцией ИЛИ.
3. Третий этап, начальная процедура (фиг.7,е). Проводится по аналогии со схемой по фиг.4, но вместо области  на этот раз имитационной модели α-режимов 1 задается область . Итогом данной процедуры станет разделение  на подобласть остающихся нераспознанными режимов  и подобласть 37 распознанных режимов . Далее общая область всех нераспознанных режимов вновь разделяется на части, и третий этап продолжается по аналогии со вторым.
Предложенный способ не имеет ограничений по числу этапов обучения защиты и формирования ее структурных схем. Окончательным итогом должно стать либо полное исчезновение области нераспознанных α-режимов, либо ее сжатие до приемлемых пределов, основную часть которых составляют режимы, нераспознаваемые физически вследствие недостаточности информационной базы релейной защиты. Преимущества способа сказываются и в данном случае, поскольку в ходе обучения защиты отслеживается судьба каждого конкретного режима, от которого релейная защита призвана защитить энергообъект.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №66343, кл. H02H 3/28, 1944.
2. Патент РФ №2066511, кл. H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.
3. Патент РФ №2149489, кл. H02H 3/40, G01R 31/08, 1999.
4. Патент РФ №2247456, кл. H02H 3/40, 2002.
5. Патент РФ №2248077, кл. H02H 3/40, 2002.
6. Патент РФ №2316780, кл. G01R 31/08, H02H 3/40, 2006.
7. Патент РФ №2316871, кл. H02H 3/40, 2006.
8. Патент РФ №2316872, кл. H02H 3/40, 2006.