СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ЗАПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ФИДЕРОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ НА СТОРОНЕ ПОТРЕБИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETECTING UNAUTHORISED PARALLELING OF FEEDERS OF DISTRIBUTING SUBSTATIONS ON USER'S SIDE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к системам мониторинга режимов потребления электроэнергии с целью определения возможного запараллеливания фидеров на стороне потребителя.
Известно устройство защиты электросетей [1], в котором используется беспроводной канал передачи данных, построенный на применении WAP-протокола, для управления прерывателями, установленными в контролируемых линиях. Устройство обеспечивает возможность обнаружения замыканий кабельных линий. Недостатком является невозможность обнаружения факта питания одной электроустановки от двух фидеров.
Известно селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях [2], относящееся к измерительной технике, которое производит мониторинг состояния кабельной сети крупных электрических подстанций, содержащее последовательно соединенные трансформатор тока нулевой последовательности и согласующий каскад, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), амплитудный и фазовый измерители, блок управления, блок логической обработки, индикаторный блок, схему ИЛИ, блок определения номера секции. Для осуществления изобретения применяются методы цифровой обработки сигналов, полученных с трансформаторов тока нулевой последовательности. Данное устройство позволяет определить подключение фидера на землю. Недостатком является невозможность обнаружения факта питания одной электроустановки от двух фидеров.
В качестве прототипа устройства выбрано наиболее близкое по совокупности признаков селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях [2].
Технической задачей предлагаемого изобретения является обнаружение факта несанкционированного запараллеливания фидеров распределительных подстанций на стороне потребителя. Способ, реализуемый в предлагаемом устройстве, основан на определении степени корреляции (статистической взаимосвязанности), разности амплитуд и разности фаз токов потребления на интервале времени анализа. По результатам анализа токов потребления принимается решение о принадлежности сигналов с датчиков токов потребления по анализируемым присоединениям к классу, соответствующему несанкционированному запараллеливанию фидеров, или к классу, соответствующему отсутствию факта запараллеливания.
Взаимная корреляционная функция [3, 4] выборок дискретных отсчетов двух сигналов с датчиков тока потребления имеет следующий вид:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>I</mi><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mover><mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>I</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>I</mi><msub><mn>2</mn><mi>j</mi></msub><mo>−</mo><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>I</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow><mrow /></mover></mrow></mstyle></mrow><mrow><mn>0.5</mn><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>I</mi><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mover><mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>I</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub><msup><mo stretchy="false">)</mo><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>I</mi><msub><mn>2</mn><mi>j</mi></msub><mo>−</mo><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mrow /><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>I</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow><mrow /></mover></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                (1)</mtext></mrow>
l,2
где R - взаимная корреляционная функция;
N - число анализируемых отсчетов токов потребления;
j
j
I1 и I2 -j-e отсчеты сигналов I1 и I2 с датчиков тока, подключенных к первому и второму фидерам соответственно;
<mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>I</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>I</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
и
- оценки математического ожидания по выборкам сигналов I1 и I2 соответственно.
1,2
l,2
Если сигналы датчиков тока статистически независимы, то взаимная корреляционная функция R приближенно равна нулю. При наличии коррелированной составляющей в анализируемых выборках, характерной для случая запараллеливания, взаимная корреляционная функция Rстремится к единице.
Решающее правило при этом имеет вид:
l,2
пор.к
1. если R>M/, то выдается решение о запараллеливании;
1,2
пор
к
<mrow />
2. если R<М., то выдается решение об отсутствии запараллеливания.
В соответствии с первым законом Кирхгофа [5, 6] при запараллеливании нагрузки на стороне потребителя выполняется равенство
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>н</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                                  (2)</mtext></mrow>
н
где I(t) - мгновенное значение действующего тока, отдаваемого в нагрузку;
1
2
I(t) и I(t) - мгновенные значения тока потребления от первого и второго фидеров соответственно.
Исходя из гипотезы - об идентичности понижающих трансформаторов распределительной подстанции (в частности равенстве их внутренних сопротивлений) и сопротивлении фидеров, справедливо выражение
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                                                                                  (3)   </mtext></mrow>
<mrow />
Таким образом, при несанкционированном запараллеливании фидеров на стороне потребителя должно выполняться равенство мгновенных значений действующих токов потребления с каждой пары анализируемых фидеров в течение длительного временного интервала. При штатном режиме работы равенство (3) будет наблюдаться только в отдельные моменты времени. Поэтому алгоритм можно построить на величине 1-нормы невязки сигналов с пары анализируемых датчиков
<mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>I</mi><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub><mo>−</mo><mi>I</mi><msub><mn>2</mn><mi>j</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext>                                                                      (4)  </mtext></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow>
где
- 1-норма невязки сигналов с пары анализируемых датчиков. Решающее правило при этом имеет вид:
<mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mi>I</mi></msub></mrow></msub></mrow>
пор.а
1. если
<М, то выдается решение о запараллеливании;
<mrow><msub><mrow><mover><mi>m</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mi>I</mi></msub></mrow></msub></mrow>
пор.а
2. если
>М, то выдается решение об отсутствии запараллеливания. Согласно положениям теории символического метода анализа гармонических колебаний в цепях с сосредоточенными параметрами [5, 6] при комплексном характере нагрузки
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>i</mi><mi>X</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                                   (5)</mtext></mrow>
где Z - комплексное сопротивление нагрузки;
R - резистивное сопротивление;
X - реактивное сопротивление, вызванное емкостным или индуктивным характером нагрузки;
i - мнимая единица;
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>U</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>I</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Z</mi></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>X</mi><mo>/</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mo>−</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>≤</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>Z</mi></msub><mo>≤</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2.</mn><mtext>                              (6)</mtext></mrow>
фазы тока и напряжения на нагрузке отличаются на величину
U
где ф - фаза напряжения;
I
φ - фаза тока;
Z
φ - разница фаз тока и напряжения.
пор
ф
Из (6) следует, что при запараллеливании нагрузки фазы токов потребления пары анализируемых фидеров будут идентичны, так как нагрузка для них будет общей, а при штатной работе в большинстве случаев фазы будут не равны, поскольку их комплексные нагрузки, описываемые выражением (5), будут разными. Поэтому, используя один из токов потребления в качестве опорного колебания, можно усреднить напряжение с выхода фазового детектора с косинусоидальной дискриминационной характеристикой за некоторый промежуток времени и, если оно превышает порог М., выдавать решение о запараллеливании.
Величины вышеописанных порогов определяются в соответствии с выбранным критерием качества. Например, в случае использования критерия Неймана-Пирсона порог выбирается исходя из заданного уровня ложных тревог и вероятности правильного обнаружения.
Для решения указанной выше технической задачи в устройство, содержащее - для каждой пары выделенных потребителю фидеров датчики тока потребления, входы которых подключены к фидерам распределительной подстанции, АЦП, амплитудные детекторы, фазовый детектор, при этом входы амплитудных и фазового детекторов подключены к выходам АЦП, решающее устройство, устройство индикации, вход которого подключен к выходу решающего устройства, введены коррелятор, блок вычисления невязки, три пороговых устройства и блок формирования порогов. При этом входы АЦП подключены к выходам датчиков тока потребления, входы коррелятора и блока вычисления невязки подключены к выходам амплитудных детекторов анализируемой пары, входы первого, второго и третьего пороговых устройств подключены соответственно к выходам коррелятора, блока вычисления невязки, фазового детектора. Выходы блока формирования порогов подключены к входам пороговых устройств, а входы решающего устройства подключены к выходам трех пороговых устройств.
На фиг.1 дана структурная схема устройства обнаружения несанкционированного запараллеливания фидеров распределительных подстанций на стороне потребителя, содержащего для каждой пары выделенных потребителю фидеров (не указаны на фиг.1), первый и второй датчики тока потребления 1 и 2, входы которых подключены к фидерам распределительной подстанции, первый и второй АЦП 3 и 4, входы которых подключены к выходам датчиков токов потребления 1 и 2, соответственно. Устройство снабжено для каждой пары фидеров выделенных потребителю, первым и вторым амплитудными детекторами 5 и 6, входы которых подключены к выходам АЦП 3 и 4 соответственно, фазовым детектором 7, входы которого подключены к выходам АЦП 3 и 4, коррелятором 8, входы которого подключены к выходам амплитудных детекторов 5 и 6, блоком вычисления невязки 9, входы которого подключены к выходам амплитудных детекторов 5 и 6, и тремя пороговыми устройствами 11, 12 и 13. Входы первого, второго и третьего пороговых устройств подключены соответственно к выходам коррелятора 8, блока вычисления невязки 9, фазового детектора 7. Устройство также содержит блок формирования порогов 10, выходы которого подключены к входам пороговых устройств 11, 12 и 13, решающее устройство 14, входы которого подключены к выходам трех пороговых устройств 11, 12 и 13, и устройство индикации 15, вход которого подключен к выходу решающего устройства 14.
Работу устройства можно описать следующим образом. Сигналы с датчиков тока потребления 1 и 2 преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП 3 и 4. Посредством амплитудных детекторов 5 и 6 выделяется огибающая сигналов датчиков тока. Коррелятором 8 определяется коэффициент корреляции. Полученное значение сравнивается с порогом в пороговом устройстве 11. При превышении порога принимается решение о наличии или отсутствии факта запараллеливания фидеров на стороне потребителя в соответствии с признаком коррелированности отсчетов токов датчиков потребления. Для определения факта запараллеливания по признаку близости амплитуд токов датчиков потребления блоком вычисления невязки 9 определяется среднее значение модуля разности амплитуд отсчетов токов потребления, полученное значение сравнивается с порогом в пороговом устройстве 12. При непревыщении порога формируется решение о наличии запараллеливания по амплитудному признаку. Аналогично, для определения факта запараллеливания по признаку близости фаз токов датчиков потребления фазовым детектором 7, определяется среднее значение модуля разности фаз отсчетов токов потребления, полученное значение сравнивается с порогом в пороговом устройстве 13. При превышении порога формируется решение о наличии запараллеливания по фазовому признаку. Пороги, подаваемые на пороговые устройства 11, 12 и 13, формируются в блоке формирования порогов 10 в соответствии с критерием качества, выбранным пользователем. Окончательное решение о наличии или отсутствии запараллеливания производится в решающем устройстве 14 по совокупности результатов, предоставляемых описанными выше Признаками, в соответствии с так называемым правилом «3 из 3», «2 из 3» или «1 из 3». При обнаружении факта запараллеливания устройством индикации 15 формируется информационный сигнал.
Список литературы
1. Montjean, Dominique. Protection for power grid having an infrared data transmission link using the WAP protocol // Патент WO №0213349,2002.
2. Кошелев В.И., Дубов Д.А., Коновалов E.B. Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях//Патент RU №2316010, 2008.
3. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. -М.: Мир, 1974. -464 с.
4. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Советское радио, 1966. - 368 с.
5. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1986. -544 с.
6. Основы теории цепей / Г.В.Зевеке,- П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. - М.: Энергия, 1975. - 752 с.