УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам релейной защиты магистральных и распределительных электрических сетей, может применяться для защиты линий электропередачи, в качестве резервных защит шин, трансформаторов и др.
Известно устройство дистанционной защиты, основанное на применении реле сопротивления [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М: Энергоатомиздат 1998, стр.365-369].
Устройство содержит измерительную часть, логическую часть, исполнительный орган и вспомогательное блокирующее устройство.
Недостатком известного устройства является низкая устойчивость функционирования.
Известно устройство цифровой дистанционной защиты [Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.248-252 (рис.6.39)], содержащее формирователь аналоговых сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, генератор тактовых импульсов, микро-ЭВМ нижнего уровня, первое устройство связи, блок общей памяти, микро-ЭВМ верхнего уровня, второе устройство связи, блок ввода, пульт управления и блок отображения информации.
Недостатком известного устройства цифровой дистанционной защиты является низкая устойчивость функционирования.
В релейной защите под устойчивостью функционирования [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.31-32] понимается способность устройств релейной защиты сохранять стабильность измерения и обеспечивать точность измерения, характеристики, параметры и уставки при условиях установившихся режимов и переходных процессов.
Установившиеся режимы характеризуются статистической устойчивостью, а режимы, связанные с переходными процессами, динамической устойчивостью.
Для обоснования преимуществ предлагаемого устройства цифровой дистанционной защиты из общего числа факторов, влияющих на устойчивость релейной защиты [Шнеерсон Э.М. Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. - М.: Энергоиздат, 1981.], выберем, например:
- отклонения частоты электроэнергетической системы (ГОСТ 13109-97);
- апериодическую составляющую аварийного режима;
- наличие гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц (ГОСТ 13109-97).
Для токов и напряжений, содержащих переходную (апериодическую) составляющую, справедливы одни и те же соотношения, описывающие их форму [Например, Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты и автоматики. - М.: Высшая школа, 1968, стр.183-184.]. Очевидно, что в случаях отклонения частоты и наличии гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц, похожесть токов и напряжений также сохраняется. Мерой оценки степени похожести сигналов (в том числе несинусоидальной формы) выступает их взаимная корреляция [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981]. Именно это обстоятельство используется для выделения (цифровой фильтрации) синусоидальных составляющих частоты f=50 Гц в цифровых измерительных органах релейной защиты посредством дискретного преобразования Фурье (ДПФ) [Например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.108-128.; Куликов А.Л. Мисриханов М.Ш. Введение в методы цифровой релейной защиты высоковольтных ЛЭП: Учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.101-121]. При этом в качестве коэффициентов импульсной характеристики цифрового фильтра (синусного и косинусного) выступают нормированные отсчеты синусоидального сигнала. Сам цифровой фильтр реализует операцию цифровой свертки (корреляции) отсчетов входного сигнала с коэффициентами импульсной характеристики фильтра. Например, при отклонениях частоты входного сигнала от f=50 Гц, из-за разрушения «похожести» отсчетов сигнала и коэффициентов импульсной характеристики возникают ошибки, которые могут достигать - 2,3÷1,8% при отклонениях частоты Δf=±2 Гц. [Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи / Под ред. В.А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2003, стр.89].
Если при цифровой фильтрации (корреляции) использовать в качестве отсчетов входного сигнала - отсчеты напряжения, а в качестве коэффициентов импульсной характеристики - отсчеты тока (или наоборот), то обеспечится:
- вычисление дискретной мощности (энергии, передаваемой от места установки защиты к потребителям, рассчитанной за интервал временного анализа релейной защиты) на выходе цифрового фильтра (коррелятора);
- адаптация к отклонениям частоты электроэнергетической системы, поскольку эти отклонения частоты одинаково влияют как на токи, так и на напряжения;
- учет апериодической составляющей и гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц в результирующем расчете дискретной мощности.
i
Отметим, что учет апериодической составляющей и гармоник частот f=50 Гц (i=1,2, …) в конечных вычислениях дискретной мощности нужен и важен, так как дистанционный принцип справедлив не только для частоты f=50 Гц, но и для других частот и их сумм. Это объясняется распространением закона Ома на всевозможные виды сигналов. С этой точки зрения, доказательна и корреляционная связь между током I и напряжением U (в том числе и мгновенных значений), определяемая прямопропорциональной зависимостью
U=Z·I,
где Z - комплексное сопротивление.
Как известно, линейносвязанные величины имеют модуль коэффициента корреляции равным единице [Например, Венцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1964].
Для получения аналога традиционных цифровых дистанционных расчетов необходимо отнормировать корреляцию совокупностей мгновенных значений токов и напряжений (дискретную мощность).
При этом, если дискретную мощность, рассчитанную в интервале анализа релейной защиты, разделить на нормирующий коэффициент (величину), представляющий сумму квадратов мгновенных значений (рассчитанных в том же интервале):
- токов, то получим аналог сопротивления;
- напряжений, то получим аналог проводимости.
Возможны и другие варианты, например, когда в качестве нормирующей величины (коэффициента) выступает корень квадратный из суммы квадратов мгновенных значений токов (напряжений). В этом случае итоговая расчетная величина имеет аналог напряжения (тока).
Таким образом, с помощью предложенных операций цифровой обработки при реализации дистанционной защиты достигается:
- совпадение результатов при строго гармонических токах и напряжениях с традиционными дистанционными цифровыми измерениями;
- повышение устойчивости цифровой дистанционной защиты при соответсвующих отклонениях токов и напряжений от синусоидальной формы.
Задача полезной модели - повышение устойчивости функционирования устройства цифровой дистанционной защиты.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство цифровой дистанционной защиты, содержащее формирователь аналоговых сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, генератор тактовых импульсов, блок общей памяти, микро-ЭВМ верхнего уровня, устройство связи, блок ввода, блок вывода, пульт управления и блок отображения информации, причем на входы формирователя аналоговых сигналов подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов через блок аналого-цифрового преобразования подключен к блоку общей памяти и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования, устройство связи своими первым, вторым и третьим входом/выходом соединено соответственно с микро-ЭВМ верхнего уровня, блоком общей памяти и шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода и вывода, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты, а выход пульта управления и вход блока отображения информации также подключены к шине обмена, согласно предложения, введены каналы обработки информации, каждый из которых содержит цифровой коррелятор (фильтр), квадратор, накапливающий сумматор и блок деления, причем первый и второй входы цифрового коррелятора являются входами канала обработки информации, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) соединен со входом квадратора, выход которого через накаливающий сумматор соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом канала обработки информации, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра), выходы каналов обработки информации объединены и соединены со входом устройства связи, а входы каналов обработки информации подключены к блоку общей памяти.
На фиг.1. представлена структурная схема устройства цифровой дистанционной защиты.
Устройство цифровой дистанционной защиты (фиг.1.) содержит: формирователь аналоговых сигналов 1, блок аналого-цифрового преобразования 2, генератор тактовых импульсов 3, блок общей памяти 4, каналы обработки информации 5 (содержащие цифровые корреляторы (фильтры) 6, квадраторы 7, накаливающие сумматоры 8, блоки деления 9), устройства связи 10, микро-ЭВМ верхнего уровня 11, блок ввода 12, блок вывода 13, пульт управления 14, блок отображения информации 15.
Элементы устройства цифровой дистанционной защиты соединены следующим образом. На входы формирователя аналоговых сигналов 1 подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов 1 через блок аналого-цифрового преобразователя 2 подключен к блоку общей памяти 4 и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования 2. Устройство связи 10 своими первым, вторым и третьим входами/выходами соединено соответственно с микро-ЭВМ 11 верхнего уровня, блоком общей памяти 4 шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода 12 и вывода 13, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты. Выход пульта управления 14 и вход блока отображения информации 15 также подключены к шине обмена. В каналах обработки информации 5 первый и второй входы цифрового коррелятора 6 являются входами канала обработки информации 5, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) 6 соединен со входом квадратора 7, выход которого через накапливающий сумматор 8 соединен с первым входом блока деления 9. Выход блока деления 9 является выходом канала обработки информации 5, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра) 6. Выходы каналов обработки объединены и соединены со входом устройства связи 10, а входы каналов обработки информации 5 подключены к блоку общей памяти 4.
Устройство цифровой дистанционной защиты работает следующим образом.
Следует отметить, что в предлагаемом устройстве цифровой дистанционной защиты (фиг.1.) вычислительные операции над мгновенными значениями токов и напряжений могут производиться в действительной арифметике (без применения комплексных значений токов и напряжений), что существенно отличает структуру и функционирование предлагаемого устройства от прототипа.
Устройство (фиг.1) реализует комплекс функций трехступенчатой многофазной цифровой дистанционной защиты, обеспечивая за интервал дискретизации выполнение следующих основных операций:
A
B
C
O
A
B
C
O
- преобразование в цифровую форму восьми дискретных сигналов u(nT), u(nT), u(nT), u(nT), i(nT), i(nT), i(nT), i(nT), с использованием формирователя аналоговых сигналов (ФАС) 1, блока аналого-цифрового преобразования 2, генератора тактовых импульсов 3;
- хранение и выборку мгновенных значений токов и напряжений блоком общей памяти 4;
- расчеты нормированной взаимной корреляции совокупностей мгновенных значений токов и напряжений в каналах обработки информации 5;
- сравнение значений нормированных взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с уставками зон в микро-ЭВМ 11 верхнего уровня (три ступени по три фазы);
- блокировку при качаниях.
a
Микро-ЭВМ 11 верхнего уровня обеспечивает выполнение основных алгоритмов дистанционной защиты на основе расчетов нормированных значений корреляций мгновенных значений совокупностей токов и напряжений, хранимых в блоке общей памяти 4. Размеры совокупностей зависят от выбранного временного интервала анализа дистанционной защиты. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f=50 Гц) и соответствует T=20 мс. В течение этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых (N) определяется отношением интервала T к интервалу дискретизации T
Устройство 10 организует связь микро-ЭВМ 11 с блоком общей памяти 4 и внешними устройствами (12, 13, 14, 15).
1
к
Блок ввода 12 обеспечивает поступление сигналов x, …, x от внешних объектов, появление которых вызывает изменение программы выполнения логической части защиты (сигналы ускорения, АПВ и т.д.) в микро-ЭВМ 11 верхнего уровня.
1
q
Блок вывода 13 реализует передачу управляющих сигналов y, …, y от защиты к другим устройствам (выключатели, регистраторы аварийных событий, сторонние комплекты релейных защит и др.). Указанные устройства на структурной схеме (фиг.1) не показаны. Пульт управления 14 служит для ввода у ставок и опробирования защиты.
Блок отображения информации 15 участвует при опробовании защиты, контроле уставок, индикации повреждений.
В связи с необходимостью реализации трех быстродействующих цифровых измерительных органов с большим числом операций умножения и сложения в предлагаемом устройстве цифровой дистанционной защиты введены специальные каналы обработки информации 5. Операции сложения и умножения являются основой цифровой обработки мгновенных значений токов и напряжений, выполняемой с использованием цифровых корреляторов (фильтров) 6, а также квадраторов 7, накапливающих сумматоров 8. С помощью указанных элементов 6, 7, 8 и блока деления 9 реализуется вычисление нормированной взаимной корреляции совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, соответсвующих каналам обработки 5. При этом выборочный массив мгновенных значений напряжений из блока общей памяти 4 подается на первый вход цифрового коррелятора (фильтра) 6, а выборочный массив мгновенных значений тока - на второй вход цифрового коррелятора (фильтра) 6. В случае использования цифрового фильтра (вместо коррелятора) в каналах обработки информации 5, выборочные массивы мгновенных значений тока подаются на выходы импульсной характеристики цифрового фильтра.
Наряду с цифровым коррелятором мгновенные значения тока подаются на квадратор 7 и в последующем на накапливающий сумматор 8. В результате вычислительных операций, выполняемых блоками 7 и 8, формируется нормирующий коэффициент, представляющий из себя сумму квадраторов мгновенных значений токов.
В последующем осуществляется деление блоком 9 результатов взаимной корреляции мгновенных значений токов и напряжений с выхода цифрового коррелятора 6 на нормирующий коэффициент с выхода накаливающего сумматора 8. Нормированные значения взаимной корреляции являются результатом вычислительных операций каналов обработки информации и через устройство связи 10 поступают в микро-ЭВМ 11 верхнего уровня.
В процессе работы устройства цифровой дистанционной защиты микроЭВМ 11 верхнего уровня реализует следующие основные функции:
- получение информации через блок ввода 12 о наличии внешних приоритетных сигналов и соответствующая перестройка логической части защиты;
- реализация алгоритма блокировки при качаниях;
1
к
- формирование характеристик срабатывания отдельных ступеней защиты на основе информации, поступающей с пульта управления 14 и сигналов x, …, x;
- ввод через устройство связи 10 нормированных значений взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, поступающих с выходов каналов обработки информации 5 (соответствующих сопротивлениям традиционной многообразной цифровой дистанционной защиты);
- сопоставление с характеристиками срабатывания вычисленных значений нормированных взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с уставочными значениями характеристик срабатывания;
1
к
- выполнение необходимых логических операций в зависимости от входных дискретных сигналов x, …, x, блока ввода 12; необходимости блокировки при качаниях; а также результатов сравнения нормированных значений взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с характеристиками срабатывания (уставками зон);
1
q
- вывод сигналов y, …, y, обеспечивающих отключение защищаемого объекта, а также и другие защиты.
1
к
1
q
Таким образом, на основе текущей информации о входных сигналах напряжения и тока, входных сигналов x, …, x, микро-ЭВМ 11 верхнего уровня вырабатывает необходимые решения, характеризуемые сигналами y, …, y. Процесс цифровой обработки сигналов устройством цифровой дистанционной защиты повторяется периодически с темпом, определяемым интервалом дискретизации (T).
Следует отметить, что предлагаемое устройство цифровой дистанционной защиты обеспечивает (как указывалось ранее) большую устойчивость функционирования при воздействии различного рода факторов.