МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ТЕРМИНАЛ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Микропроцессорный терминал дифференциально-фазной защиты линии электропередачи
Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к защите линий электропередачи (ЛЭП) от коротких замыканий (КЗ).
Уровень техники
Известна дифференциально-фазная защита линии электропередачи [1].
Действие дифференциально-фазной защиты ЛЭП основано на сравнении фаз токов, определенным образом сформированных полукомплектами защиты, установленными на противоположных концах защищаемой линии. Информация о фазе тока переносится на противоположный конец линии с помощью манипулированного током высокочастотного (ВЧ) сигнала. Этот сигнал передается полукомплекту защиты, установленному на противоположном конце линии, и вместе (в сумме) с ВЧ сигналом, манипулированным током противоположного полукомплекта, поступает через ВЧ приемник в орган сравнения фаз дифференциально-фазной защиты. Функция органа сравнения фаз состоит в оценке места КЗ (внешнее или внутреннее КЗ по отношению к защищаемой линии) по величине угла, который в периоде Т промышленной частоты занимает пауза в суммарном манипулированном сигнале на выходе ВЧ приемника.
Орган сравнения фаз запускается пусковым органом дифференциально-фазной защиты, реагирующим на величину определенным образом сформированного пускового тока и разрешающим действие защиты на отключение ЛЭП при соответствующем результате сравнения фаз.
При отсутствии КЗ или внешнем КЗ по отношению к защищаемой ЛЭП фазы токов манипуляции, формируемых противоположными комплектами защиты, таковы, что паузы двух манипулированных ВЧ
сигналов, поступающих в орган сравнения фаз, не накладываются друг на друга. При этом в суммарном ВЧ сигнале не образуется паузы, длительность которой превышает установленный угол блокировки защиты.
При КЗ на защищаемой ЛЭП фазы токов манипуляции противоположных комплектов таковы, что паузы двух манипулированных ВЧ сигналов в основном накладываются друг на друга, что приводит к возникновению паузы в суммарном ВЧ сигнале, длительность которой превышает установленный угол блокировки защиты.
Недостаток устройства [1] - низкая помехоустойчивость к переходным процессам при внешних (по отношению к защищаемой линии) КЗ.
Современные устройства защиты выполняют на базе микропроцессорных терминалов, программируемых для реализации функций соответствующей защиты.
Известен выбранный в качестве прототипа микропроцессорный терминал дифференциально-фазной защиты ЛЭП, содержащий подключенные к системной магистрали («общей шине») блок аналого-цифрового преобразования вторичных токов и напряжений, блок цифровой обработки и блок сопряжения с внешними устройствами, снабженный выходом сигнала управления ВЧ передатчиком, выходом сигнала срабатывания защиты и входом, предназначенным для подключения к выходу приемника ВЧ сигнал [2]. Для реализации функций дифференциально-фазной защиты ЛЭП, блок цифровой обработки в составе терминала соответствующим образом программируется. При этом в терминале реализуется, в частности, функция органа сравнения фаз: сигнал на срабатывание защиты (отключение линии) выдается в результате сравнения угловой длительности паузы в суммарном манипулированном сигнале на выходе приемника ВЧ сигнала и заданного угла блокировки, причем измерение паузы производится в каждом периоде независимо. Срабатывание защиты происходит, если угловая длительность паузы превышает заданный угол блокировки в одном, двух или более
последовательных периодах (число периодов задается по условиям эксплуатации). Такая защита более устойчива к помехам при внешних КЗ.
Недостаток прототипа - устойчивость защиты к помехам, вызванным переходными процессами при внешних КЗ, достигается за счет снижения ее быстродействия при КЗ в зоне действия защиты.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели обеспечить помехоустойчивость защиты без снижения ее быстродействия при КЗ на защищаемой линии.
cp
Предметом полезной модели является микропроцессорный терминал дифференциально-фазной защиты линии электропередачи, содержащий подключенные к системной магистрали блок аналого-цифрового преобразования вторичных токов и напряжений, блок сопряжения с внешними устройствами, снабженный входом, предназначенным для подключения к выходу приемника ВЧ сигнала, выходами сигналов срабатывания защиты и управления ВЧ передатчиком, и программируемый блок цифровой обработки, выполненный с возможностями при пуске защиты вычислять текущий интеграл от функции b, принимающей в паузе и при наличии ВЧ сигнала на входе приемника постоянные значения, отношение которых отрицательно и равно по модулю первой заданной величине k, а при достижении текущим интегралом второй заданной величины N ограничивать его дальнейший рост и выдавать в блок сопряжения с внешними устройствами команду на формирование сигнала срабатывания защиты.
Это позволяет повысить устойчивость защиты к помехам, вызванным переходными процессами при внешних КЗ, без снижения ее быстродействия при КЗ на защищаемой линии.
Полезная модель имеет развитие, согласно которому программируемый блок цифровой обработки выполнен с возможностью при уменьшении вычисляемого текущего интеграла до третьей заданной
возвр
величины N выдавать в блок сопряжения с внешними устройствами команду на снятие сигнала срабатывания защиты.
Это позволяет уменьшить время возврата защиты и тем самым повысить надежность ее работы.
Краткое описание фигур чертежей
Осуществление полезной модели с учетом ее развития иллюстрируют фиг.1-4. На фиг.1 представлена структурная схема микропроцессорного терминала защиты, на фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая выполнение терминалом органа сравнения фаз. (Эта функция выполняется терминалом наряду с остальными функциями дифференциально-фазной защиты ЛЭП). Графики на фиг.3 иллюстрируют выполнение функции сравнения фаз с параметрами, заданными согласно приведенному в описании примеру. На фиг.4 представлен алгоритм, подтверждающий возможность выполнения программируемым блоком цифровой обработки функций, раскрытых в заявляемой формуле полезной модели.
Осуществление полезной модели
Структурная схема устройства на фиг.1 содержит подключенные к системной магистрали («общей шине») 1:
- блок 2 аналого-цифрового преобразования вторичных токов и
напряжений;
- блок 3 сопряжения с внешними устройствами;
- блок 4 цифровой обработки (программируемый).
Кроме того, на схеме фиг.1 показаны ВЧ передатчик 5 и ВЧ приемник 6, не входящие в состав терминала и поставляемые отдельно. Выход приемника 6 подключен к одному из входов блока 3. Один из выходов блока 3 выдает сигнал на срабатывание защиты («Срабатывание защиты»), другой - сигнал управления передатчиком 5 («Управление ВЧ передатчиком»).
Блок-схема на фиг.2 содержит следующие функциональные блоки:
- блок 7 пуска защиты на отключение;
- блок 8 сравнения фаз;
- блок 9 выдачи значений подинтегральной функции b;
- блок 10 интегрирования величины b (накапливающий сумматор);
- первый блок 11 сравнения;
- второй блок 12 сравнения.
На фиг.2 также показаны ВЧ передатчик 5, к входам которого подведен сигнал управления, и приемник 6, выход которого подключен к управляющим входам блока 9. Выход блока 9 подключен к одному из входов блока 10. На другой его вход поступает команда «Пуск защиты». Выходной ВЧ сигнал передатчика 5 и сигнал от передатчика удаленного полукомплекта защиты смешиваются (суммируются) на входе приемника 6.
Функции блоков 7 и 8, включая функции блоков 9, 10, 11 и 12, реализованы путем соответствующего выполнения программируемого блока 4 (см. фиг.1).
Микропроцессорный терминал (см. фиг.1) работает следующим образом.
вт
вт
На входы блока 2 поступают вторичные фазные токи i и вторичные напряжения u защищаемой ЛЭП. Блок 2 преобразует входные аналоговые величины в цифровые значения, поступающие через магистраль 1 в блок 4. Блок 4 в соответствии с заложенной в него программой цифровой обработки использует цифровые значения вторичных токов и напряжений для осуществления функций дифференциально-фазной защиты, включая описанные выше. При этом он выдает на магистраль 1 команды управления блоком 3, который формирует соответствующие этим командам сигнал управления передатчиком 5 («Управление передатчиком») и сигнал «Срабатывание защиты», который поступает на вход исполнительного элемента (на чертеже не показан), действующего на отключение линии.
Функции дифференциально-фазной защиты, описанные выше в разделе "Уровень техники", при работе заявляемого устройства осуществляются следующим образом (см. фиг.2).
вт
вт
Блок 7, анализируя значения вторичных фазных токов i и вторичных напряжений u, формирует токи защиты и управляет ВЧ передатчиком 5. Токи защиты сравниваются с заданными пороговыми значениями, а результаты сравнения в виде команды «Пуск защиты» и сигнала «Управление ВЧ передатчиком» поступают на блоки 10 и 5, как показано на фиг.2.
Передатчик 5 выдает ВЧ сигнал в линию и на вход приемника 6, где этот сигнал смешивается (суммируется) с манипулированным ВЧ сигналом, поступающим от противоположного полукомплекта защиты. Приемник 6 выдает в блок 8 двоичный сигнал с периодом Т, соответствующий огибающей суммарного ВЧ сигнала на входе приемника 6. Один уровень двоичного сигнала на выходе приемника 6 соответствует паузе, а другой - наличию ВЧ сигнала на входе приемника 6.
Блок 8, осуществляющий функцию органа сравнения фаз, после поступления команды «Пуск защиты», разрешает действие защиты на отключение ЛЭП при соответствующем результате сравнения фаз.
Более подробно работа дифференциально-фазной защиты в части, совпадающей с процессом функционирования известных устройств, описана в [1].
Выполнение функции сравнения фаз в предлагаемом устройстве иллюстрирует функциональная структура блока 8 на фиг.2. Сравнение фаз осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии (при отсутствии КЗ и команды «Пуск защиты») поддерживается нулевое значение вычисляемого в блоке 10 текущего интеграла от функции b. При поступлении команды «Пуск защиты» блок 10 начинает интегрирование по времени функции b. Значение функции b, выдаваемой блоком 9, определяется двоичным сигналом, поступающим с выхода приемника 6.
паузы
Сигнал на выходе приемника 6 принимает в паузе ВЧ сигнала состояние, обеспечивающее выдачу блоком 9 в блок 10 положительного значения b. При наличии ВЧ сигнала на входе приемника 6 он выдает
ВЧ
паузы
cp
возвр
cp
возвр
сигнал, обеспечивающий поступление из блока 9 в блок 10 отрицательного значения b, модуль которого в k раз меньше значения b. Текущее состояние М интеграла, вычисляемого в блоке 10, сравнивается блоками 11 и 12 с заданными числами N, и N и при M>N формируется команда на выдачу сигнала «Срабатывание защиты», а при М<N - команда на снятие этого сигнала.
Такое выполнение функции сравнения фаз в программируемом блоке 4 позволяет задавать (например, в градусах):
1
- угловую длительность δ паузы (угол блокировки), до которой защита не срабатывает при любом времени поступления сигнала от приемника 6;
2
- угловую длительность δ паузы, после которой защита гарантированно срабатывает в течение одного периода промышленной частоты после поступления сигнала от приемника 6.
1
2
При промежуточных значениях угловой длительности δ<δ<δ паузы время (число периодов) срабатывания защиты уменьшается с ростом длительности паузы.
1
2
1
2
cp
На практике вначале выбирают желательные величины угловых длительностей δ и δ, исходя из конкретных условий и характеристик защищаемой ЛЭП, а затем задают, соответствующие выбранным δи δ, значения k и N по следующим формулам:
Пример.
паузы
1
2
cp
5
Пусть, например, b= 10 и выбранные значения δ и δ составляют 120° и 180° соответственно. Тогда k=2 и при Т=20 мс N=1000.
Работу устройства с параметрами этого примера иллюстрирует фиг.3 (а, b, с).
По условию непрерывности сигнала «Срабатывание защиты» необходимо, чтобы
возвр
сp.
1 МАКС
МАКС
ВЧ
ВЧ
паузы
N-N=δ·T·b/360°, где b=-b/k.
Приведенный на фиг.4 алгоритм выполнения вышеописанных функций в виде последовательности операций подтверждает возможность реализации полезной модели на базе программируемого микропроцессорного устройства.
Источники информации
1. А.И.Левиуш, Н.А.Дони и др. Высокочастотная направленная и дифференциально-фазная защита ПДЭ 2003 для ВЛ 500-750 кВ. Научно-учебный центр ЭНАС, М., 1996
2. Terminal MICOM 547. Manual guide. Areva, Stufford, GB, 2002.