Способ проверки релейной защиты и автоматики при каскадном воздействии
METHOD FOR CHECKING RELAY PROTECTION AND AUTOMATION DURING CASCADE EXPOSURE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам для калибровки и установки приборов защиты для работы при заранее определенных режимах и может быть использовано для проверки релейной защиты и автоматики.
Известны комплексы технических средств, обеспечивающих гибкое регулирование потребления электроэнергии, состоящие из комплектов устройств, повышающих пропускную способность электроэнергетической системы, в основе которых лежат уникальные технические предложения по предотвращению аварийных режимов [1].
Недостатками таких комплексов является отсутствие способов их проверки при многократных воздействиях, приводящих к потере устойчивости электроэнергетической системы и каскадным авариям.
Известны виды устойчивости электроэнергетической системы (статическая и динамическая) [2], не учитывающие выход параметров сети за критические границы, при которых не обеспечивается полный функционал релейной защиты и автоматики, и приводящие к системным авариям в результате каскадных воздействий.
Известен способ быстродействующей максимальной токовой защиты электрических цепей. В основе способа решается задача всестороннего анализа мгновенных значений тока во всех фазах цепи, позволяющего надежно «отстроиться» от влияния случайного фактора - момента возникновения тока возмущения цепи и, тем самым, обеспечение максимального быстродействия защиты [3].
Недостатком указанного способа является отсутствие возможности учета многократных воздействий, приводящих к каскадным авариям в системах.
Наиболее близким является способ проверки уставки срабатывания релейной защиты высоковольтных присоединений [4]. Целью изобретения является упрощение и сокращение времени проверки. Способ проверки заключается в подаче тока от источника тока в токовые цепи защиты и фиксации значения этого тока в момент срабатывания. Проверку производят при рабочем вторичном токе без вывода присоединения из работы путем кратковременного повышения напряжения на входе реагирующего органа защиты по сравнению с действительным напряжением, соответствующим данному рабочему току в соответствии с коэффициентом преобразования, равным отношению значения тока уставки к рабочему току в момент проверки.
Недостатком такого способа является функциональная ограниченность области применения, так как его реализация возможна только при проверке характеристик дистанционных защит.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей проверки релейной защиты и автоматики при каскадных воздействиях с учетом изменения уровня устойчивости электроэнергетической системы и воздействия внешней среды на релейную защиту и автоматику.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе, заключающемся в каскадном воздействии на релейную защиту и автоматику с последовательными интервалами времени, соответствующими уставкам срабатывания устройств автоматического повторного включения и максимальной токовой защиты и не позволяющими релейной защите и автоматике вывести электроэнергетическую систему из послеаварийного режима, согласно изобретению, применены блок формирования воздействий, блок анализа устойчивости электроэнергетической системы, блок аппаратуры измерения и контроля, блок формирования отчетов и блок релейной защиты и автоматики, при этом блок формирования воздействий содержит блок расчета очередности воздействий, блок имитации воздействий со стороны внешней среды, блок имитации воздействий со стороны электрооборудования, что позволяет формировать каскадные воздействия и учитывать их различный характер при проверке релейной защиты и автоматики. Кроме того, в способе учитывается потеря устойчивости электроэнергетической системы, которая оценивается уровнем критической устойчивости и наступлением аварийного режима потери устойчивости.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-3):
фиг. 1 - схема воздействия на релейную защиту и автоматику;
фиг. 2 - схема проверки релейной защиты и автоматики;
фиг. 3 - временная диаграмма воздействий на релейную защиту и автоматику, совмещенная с графиком устойчивости электроэнергетической системы.
Схема воздействия на релейную защиту и автоматику (фиг. 1) включает в себя прямое воздействие внешней среды на релейную защиту и автоматику, воздействие внешней среды через электрооборудование электроэнергетической системы и воздействие со стороны электрооборудования.
К прямым воздействиям со стороны внешней среды на релейную защиту и автоматику можно отнести кибератаки на микропроцессорную технику и электронику терминалов; умышленное невыполнение команд диспетчера Системного оператора оперативным персоналом, физическое повреждение аппаратуры релейной защиты и автоматики.
Воздействия внешней среды через электрооборудование электроэнергетической системы на релейную защиту и автоматику включают преднамеренные воздействия, такие как - террористические атаки на объекты электроэнергетической системы; применение специального оружия в виде графитовых боеприпасов в ходе вооруженных конфликтов; вандальные действия, связанные с кражей металлоконструкций высоковольтных линий электропередачи и элементов оборудования подстанций, неоднократные расстрелы гирлянды изоляторов линий электропередачи, и случайные воздействия - стихийные погодные явления (обрыв и замыкания проводов из-за сильного ветра, падения деревьев и различных конструкций, короткие замыкания в результате удара молнии, разрушение опор линий электропередачи из-за землетрясений, наводнений, пожаров, оползней и т.п.); несоблюдение вертикальных габаритов строительной и другой тяжелой техники при прохождении под воздушной линией электропередачи; падение на воздушные линии и открытые распределительные устройства легкомоторных самолетов, беспилотных летательных аппаратов и воздушных шаров; ошибки оперативного и диспетчерского персонала при обслуживании, эксплуатации и оперативных переключениях на объектах электроэнергетики.
К воздействиям со стороны электрооборудования электроэнергетической системы, которые приводят к срабатыванию релейной защиты и автоматики, относятся отказы оборудования, отражающие недостатки эксплуатации, дефекты ремонта, дефекты изготовления, исчерпание ресурса (износ), перегрузки сети (потребление электроэнергии превышает расчетные нормы).
Воздействия на электроэнергетическую систему со стороны внешней среды имитируются на стендах релейной защиты и автоматики имитацией аварийных ситуаций в электроэнергетической системе путем включения и отключения ключей на стенде и изменения характеристик имитационной нагрузки.
Воздействия на электроэнергетическую систему со стороны электрооборудования имитируются на стендах проверки релейной защиты и автоматики путем имитации аварийных ситуаций в электрооборудовании, отражающих ошибки в срабатывании, отказы, непреднамеренные отключения.
Способ заключается в совокупности действий, реализующих отдельные функции, с установленной последовательностью по схеме проверки релейной защиты и автоматики, которая содержит (фиг. 2):
1 - блок формирования воздействий, включающий в себя:
1.1 - блок расчета очередности воздействий;
1.2 - блок имитации воздействий со стороны внешней среды;
1.3 - блок имитации воздействий со стороны электрооборудования;
2 - блок анализа устойчивости электроэнергетической системы;
3 - блок аппаратуры измерения и контроля;
4 - блок формирования отчетов;
5 - блок релейной защиты и автоматики.
Вход блока формирования воздействий 1 соединен с выходом блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2, а его выходы со входами блока релейной защиты и автоматики 5. Выходы блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 соединены со входом блока формирования воздействий 1 и входом блока формирования отчетов 4, а его вход с выходом блока аппаратуры измерения и контроля 3. Выходы блока аппаратуры измерения и контроля 3 соединены со входом блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 и входом блока формирования отчетов 4, а его вход с выходом блока релейной защиты и автоматики 5. Входы блока формирования отчетов 4 соединены с выходом блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 и выходом блока аппаратуры измерения и контроля 3. Выход блока релейной защиты и автоматики 5 соединен со входом блока аппаратуры измерения и контроля 3, а его входы с выходами блока формирования воздействий 1. Вход блока расчета очередности воздействия 1.1 блока формирования воздействия 1 соединен с выходом блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2, а его выход со входом блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 блока формирования воздействий 1. Вход блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 блока формирования воздействия 1 соединен с выходом блока расчета очередности воздействия 1.1 блока формирования воздействия 1, а его выходы со входом блока релейной защиты и автоматики 5 и входом блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 блока формирования воздействия 1. Вход блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 блока формирования воздействия 1 соединен с выходом блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 блока формирования воздействий 1, а его выход со входом блока релейной защиты и автоматики 5.
Реализация способа происходит следующим образом.
cm
Электроэнергетическая система функционирует в нормальном режиме HP до момента начала первого воздействия. Обеспечивается ее статическая устойчивость Y (фиг. 3).
В блоке расчета очередности воздействий 1.1 блока формирования воздействий 1 формируется команда на начало воздействия. Сигнал с выхода блока расчета очередности воздействий 1.1 поступает на вход блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 блока формирования воздействий 1.
В блоке имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 формируется первая команда выбора воздействия на релейную защиту и автоматику через электрооборудование. Сигнал с выхода блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 поступает на вход блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3.
В блоке имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 формируется команда на имитацию воздействия на блок релейной защиты и автоматики 5 со стороны электрооборудования. Сигнал с выхода блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 поступает на вход блока релейной защиты и автоматики 5.
Имитируется функционирование электроэнергетической системы в аварийном режиме АР (фиг. 3).
В блоке релейной защиты и автоматики 5 производится отработка алгоритма защиты, соответствующего характеру воздействия. Срабатывая по своему функциональному предназначению, релейная защита и автоматика ликвидируют аварийный режим АР и начинают выполнять последовательность действий по восстановлению нормального режима HP в электроэнергетической системе и поднятию уровня устойчивости. При этом электроэнергетическая система находится в послеаварийном режиме ПАР (фиг. 3). Информация о состоянии элементов релейной защиты и автоматики, а также информация, отражающая состояние электроэнергетической системы, исходя из оценки выходных параметров релейной защиты и автоматики поступает с выхода блока релейной защиты и автоматики 5 на вход блока аппаратуры измерения и контроля 3.
В блоке анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 входящая информация обрабатывается, и на ее основе происходит оценка изменения уровня устойчивости электроэнергетической системы. По окончании цикла обработки информации сигнал с выхода блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 поступает на вход блока расчета очередности воздействий 1.1 блока формирования воздействий 1.
дин
Электроэнергетическая система функционирует в послеаварийном режиме ПАР. Обеспечивается ее динамическая устойчивость Y (фиг. 3).
В блоке расчета очередности воздействий 1.1 блока формирования воздействий 1 формируется команда на начало второго воздействия с учетом времени, при котором релейная защита и автоматика не успевает выполнить полностью последовательность действий по восстановлению нормального режима HP электроэнергетической системы. Сигнал с выхода блока расчета очередности воздействий 1.1 поступает на вход блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 блока формирования воздействий 1.
В блоке имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 формируется вторая команда выбора воздействия на релейную защиту и автоматику через электрооборудование. Сигнал с выхода блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 поступает на вход блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3.
В блоке имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 формируется команда на имитацию воздействия на блок релейной защиты и автоматики 5 со стороны электрооборудования. Сигнал с выхода блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 поступает на вход блока релейной защиты и автоматики 5.
Имитируется функционирование электроэнергетической системы в аварийном режиме АР.
В блоке релейной защиты и автоматики 5 производится отработка алгоритма защиты, соответствующего характеру воздействия. Релейная защита и автоматика ликвидируют аварийный режим АР и начинают выполнять последовательность действий по восстановлению режима в электроэнергетической системе и поднятию уровня устойчивости. При этом электроэнергетическая система находится в послеаварийном режиме ПАР. Информация о состоянии элементов релейной защиты и автоматики, а также информация, отражающая состояние электроэнергетической системы, исходя из оценки выходных параметров релейной защиты и автоматики поступает с выхода блока релейной защиты и автоматики 5 на вход блока аппаратуры измерения и контроля 3.
В блоке анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 входящая информация обрабатывается, и на ее основе происходит оценка изменения уровня устойчивости электроэнергетической системы. По окончании цикла обработки информации сигнал с выхода блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 поступает на вход блока расчета очередности воздействий 1.1 блока формирования воздействий 1.
дин
Электроэнергетическая система продолжает функционировать в послеаварийном режиме ПАР. Обеспечивается ее динамическая устойчивость Y (фиг. 3).
В блоке расчета очередности воздействий 1.1 блока формирования воздействий 1 формируется команда на начало следующего воздействия с учетом времени, при котором релейная защита и автоматика не успевает выполнить полностью последовательность действий по восстановлению нормального режима электроэнергетической системы. Сигнал с выхода блока расчета очередности воздействий 1.1 поступает на вход блока имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 блока формирования воздействий 1.
В блоке имитации воздействий со стороны внешней среды 1.2 формируется следующая команда выбора воздействия на релейную защиту и автоматику со стороны внешней среды, а также команда на имитацию воздействия на блок релейной защиты и автоматики 5 со стороны внешней среды. Сигнал с выхода блока имитации воздействий со стороны электрооборудования 1.3 поступает на вход блока релейной защиты и автоматики 5.
Имитируется сбой в работе релейной защиты и автоматики, возникающий в результате воздействия на нее из внешней среды. При этом происходит сбой в процессе восстановления режима и падение уровня устойчивости электроэнергетической системы, которая продолжает находиться в послеаварийном режиме ПАР. Информация о состоянии элементов релейной защиты и автоматики, а также информация, отражающая состояние электроэнергетической системы, исходя из оценки выходных параметров релейной защиты и автоматики поступает с выхода блока релейной защиты и автоматики 5 на вход блока аппаратуры измерения и контроля 3.
В блоке анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 входящая информация обрабатывается, и на ее основе происходит оценка изменения уровня устойчивости электроэнергетической системы. По окончании цикла обработки информации сигнал с выхода блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 поступает на вход блока расчета очередности воздействий 1.1 блока формирования воздействий 1.
Сигналы с выхода блока анализа устойчивости электроэнергетической системы 2 и с выхода блока аппаратуры измерения и контроля 3 поступают на вход блока формирования отчетов 4, в котором формируется отчет о текущем состоянии релейной защиты и автоматики и об оценке уровня устойчивости электроэнергетической системы.
Повторение цикла воздействий происходит с последовательными интервалами времени, соответствующими уставкам срабатывания устройств автоматического повторного включения и максимальной токовой защиты. Для имитации воздействия со стороны внешней среды берется на один интервал между имитациями воздействий больше, чем установлено для автоматического повторного включения. При этом этот интервал равен уставке второго срабатывания автоматического повторного включения. Для имитации воздействия со стороны электрооборудования берутся два интервала, каждый из которых равен длительности переходного процесса при коротком замыкании в системе.
кр
Повторение цикла воздействий приводит к постепенному падению уровня устойчивости электроэнергетической системы, что в конечном итоге приводит тому, что после N-го воздействия уровень устойчивости падает до критического Y, а сама электроэнергетическая система переходит в аварийный режим с потерей устойчивости АРПУ (фиг. 3), при котором релейная защита и автоматика не способны восстановить ее нормальную работу.
Таким образом, каскадное воздействие с последовательными интервалами времени, соответствующими уставкам срабатывания устройств автоматического повторного включения и максимальной токовой защиты и не позволяющими релейной защите и автоматике вывести электроэнергетическую систему из послеаварийного режима, позволяет снизить уровень динамической устойчивости до критического за счет имитации воздействий со стороны внешней среды и элементов электрооборудования, а применение блока имитации воздействий со стороны внешней среды в блоке формирования воздействий позволяет учесть воздействие внешней среды при проверке релейной защиты и автоматики. Кроме того, блок анализа устойчивости электроэнергетической системы, позволяет учитывать изменение уровня устойчивости электроэнергетической системы. Кроме того, блок формирования воздействий содержит блок расчета очередности воздействия, блок имитации воздействий со стороны внешней среды, блок имитации воздействий со стороны электрооборудования, что позволяет формировать каскадные воздействия и учитывать их различный характер при проверке релейной защиты и автоматики. Кроме того, в способе учитывается потеря устойчивости электроэнергетической системы, которая достигается снижением динамической устойчивости до критического уровня и наступлением аварийного режима с потерей устойчивости за счет имитации воздействия на элементы электроэнергетической системы с целью вызвать срабатывание устройств автоматики.
Заявителям неизвестен путь решения поставленной задачи с приведенной совокупностью существенных признаков, что говорит об «изобретательском уровне» технического решения.
Способ может быть реализован на современной элементной базе промышленного изготовления и найдет широкое применение при проверке релейной защиты и автоматики.
Источники информации:
1. Предотвращение развития аварийных ситуаций в электроэнергетической системе за счет гибкого регулирования потребления электроэнергии/ Д.Н. Удинцев, Г.В. Шведов, П.К. Милованов // Электроэнергия. Передача и распределение. М.: Изд. ООО «Кабель»: 2019 - №5. - с. 58.
2. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -390 с.
3. Гапоненко Г.Н., Кобозев А.С., Омельченко В.В. Способ быстродействующей максимальной токовой защиты электрических цепей // Патент РФ №2355090, 10.05.2009.
4. Кузнецов А.П., Гловацкий В.Г., Белотелов А.К. Способ проверки уставки срабатывания релейной защиты высоковольтных присоединений // Патент СССР №1675964, 07.09.1991.