СИСТЕМА И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
SYSTEM AND METHOD OF PROTECTION OF ELECTRIC POWER SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам и компоновкам для защиты электрических силовых сетей, в частности, кабельных сетей для ветроэнергоцентров.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ветроэнергоцентры
Ветроэнергоцентры, или электростанции, работающие на энергии ветра, обычно разрабатываются для того, чтобы генерировать электрическую энергию с низким напряжением или средним напряжением. Когда генератор генерирует ток низкого напряжения (как правило меньше 1000 В), повышающий трансформатор в составе ветроэнергетической установки используется для того, чтобы повысить сгенерированное напряжение как правило до 12-36 кВ с тем, чтобы уменьшить размеры (и стоимость) кабелей. Генераторы среднего напряжения, как правило 12 кВ, являются альтернативой, которая избавляет от необходимости иметь повышающий трансформатор в составе ветроэнергетической установки.
Электрическая энергия, генерируемая ветроэнергоцентрами, обычно собирается в трансформаторной подстанции ветроэнергетической установки, находящейся либо под водой, либо на поддерживающей структуре выше уровня воды (или на земле).
Трансформаторная подстанция ветроэнергетической установки может собирать электрическую энергию от кластера ветроэнергетических установок и дополнительно повышать напряжение для того, чтобы уменьшить стоимость кабелей и позволить передавать больше энергии.
Кабель высокого напряжения от кластера ветроэнергетических генераторов обычно заканчивается на центральной платформе, которая собирает электрическую энергию от многих кластеров ветроэнергетических установок. Эта платформа может передавать энергию на землю посредством кабелей высокого напряжения переменного или постоянного тока.
Такие многоконечные силовые электрические сети представляют собой сложные сооружения и требуют ряда защитных устройств.
Патентный документ EP2282054 (D5) описывает электростанцию, работающую на энергии ветра, в которой множество ветрогенераторов, каждый из которых включает в себя трансформатор (40 в документе D5), сгруппированы и соединены с общим питающим кабелем (44 в документе D5), который дополнительно наряду с другими подобными питающими кабелями соединен с трансформатором подстанции (12 в документе D5). Подстанция (48 в документе D5) в свою очередь обеспечивает присоединение к внешней сети (34 в документе D5). Для защиты от коротких замыканий, происходящих в системе питающих кабелей, на каждом конце кабельной системы расположены устройства отключения, то есть по одному на каждом конце двух общих питающих кабелей (44) и одно устройство отключения (62) в месте соединения между кабельной системой и трансформатором подстанции (12) (§45 в документе D5). Расположение защитного оборудования таким способом и наличие устройства отключения на обоих концах каждого кабеля требуют большого количества оборудования, если такая система защиты устанавливается на электростанции, работающей на энергии ветра, имеющей много генераторов электрической энергии. Этот вид защиты увеличивает затраты, когда количество генераторов электрической энергии и, соответственно, кабелей от генераторов электрической энергии увеличивается для расширения электростанции, работающей на энергии ветра.
Дифференциальная защита
Настоящее изобретение предлагает дифференциальную защиту ветровой электростанции с использованием защитного оборудования, подобного технологии, используемой для того, чтобы защищать линии электропередачи в энергосистемах. Такое оборудование подробно не обсуждается в документе D5. Поэтому, далее будет дан краткий обзор способов и систем дифференциальной защиты, используемых в других областях, отличных от защиты ветровых электростанций.
Дифференциальная защита является широко известным способом защиты линий электропередач. Например, британская патентная заявка GB523603 описывает дифференциальную защиту для систем переменного тока, использующих дифференциальную релейную защиту для защиты силовых линий, силовых трансформаторов, генераторов переменного тока и шинных устройств электростанции, в которой каждая фаза тока, входящего в систему, сравнивается с током, покидающим систему (см. страницу 1 документа D1, строки 10-14, 32-46). Коэффициенты трансформации силовых трансформаторов системы компенсируются посредством выбора измерительных трансформаторов тока, имеющих соответствующие коэффициенты трансформации, так что токи от трансформаторов тока должны быть в сумме равны нулю, то есть входящие токи равны выходящим токам защищенной зоны системы, когда в защищенной зоне нет никакой неисправности. Когда в защищенной зоне (1 на Фиг. 1) происходит короткое замыкание, создается дифференциальный ток, который вызывает срабатывание защитного реле, размыкание устройств отключения и отключение неисправного оборудования (см. документ D1, страница 1, строки 46-77). Кроме того, защитная схема в соответствии с документом D1 (см. например Фиг. 1 в документе D1) включает в себя не только рабочую обмотку 13, которая включается дифференциальным током, но также и ограничительную катушку 12, которая включается пусковым током, причем ограничительная катушка 12 компенсирует пусковые токи намагничивания трансформаторов в защищенной зоне (см. страницу 2 документа D1, строки 73-93). Таким образом, защитная схема в соответствии с документом D1 предотвращает ложное срабатывание дифференциального защитного оборудования посредством ограничивающего воздействия, которое выполнено с возможностью реагировать на гармонику вторичного тока измерительного трансформатора тока так, чтобы реле срабатывало только тогда, когда в защищенной зоне (1) существует короткое замыкание (см. страницу 3 документа D1, строки 28-47). Защищенная зона (1 в документе D1) включает в себя, например, комбинацию, содержащую два или более из: силового трансформатора, машины, шины электростанции и силовой линии, и в примере, проиллюстрированном на Фиг. 1 в документе D1, три устройства 5 отключения соединяют три силовые схемы 2, 3, 4 с зоной 1 (страница 3, строки 106-130). Входящие в эти схемы и выходящие из этих схем токи отслеживаются трансформаторами 8 тока защитной схемы.
Возникающий пусковой ток намагничивания влияет на дифференциальный ток, что проиллюстрировано на Фиг. 4 в документе D1, и дифференциальный ток показывает высокую вторую гармонику (страница 4, строки 43-54). Защитная релейная схема разрабатывается так, чтобы ограничить эту вторую гармонику (страница 4, строки 67-79), а также токи от насыщенного трансформатора измерения тока, например, посредством ограничивающей катушки 12 (страница 4, строки 114-120). Таким образом, документ D1 описывает систему для дифференциальной защиты, в которой защитная схема компенсирует пусковые токи трансформаторов так, чтобы размыкание устройства отключения защитным реле было невозможно, когда переключатель замыкается для подачи напряжения на обмотку трансформатора.
Фиг. 10 в документе D1 иллюстрирует защиту линии электропередачи (ЛЭП), в которой пилотный проводник (один для каждой фазы 48, 49, 50) используется для передачи измерительных токов от трансформаторов 8 тока, которые измеряют токи, входящие и выходящие из линии электропередачи (45-47).
Альтернатива использованию пилотных проводников описана в патенте США US3223889(D2), в котором защитная схема для защиты электросети использует, например, радио (см. документ D2, Фиг. 2 и колонку 2, строки 30-32) для передачи сигнала средству управления размыканием. Фиг. 6 в документе D2 иллюстрирует использование линии радиосвязи для передачи управляющих сигналов, включая вторую гармонику силовой схемы (см. колонку 2 в документе D2, строки 45-54).
Дифференциальная защита с тех пор развивалась дальше, становясь все более сложной и интеллектуальной. Международная публикация заявки WO2007/051322 (D3) описывает компоновку для защиты силовой электрической системы, включающую в себя множество защитных реле, снабженных соответствующим оборудованием для измерения фазового вектора для того, чтобы измерять значения синхронизированных токов в различных местоположениях, и включающих в себя соответствующий модуль передачи данных для передачи таких значений токов друг другу через линию связи (см. реферат документа D3). Такие системы используют блоки измерения фазового вектора, которые обеспечивают маркированные по времени измерения, так называемых фазоров (фазовых векторов), токов, напряжений и нагрузок, которые синхронизированы друг с другом и маркированы по времени посредством глобальной спутниковой системы определения местоположения (например, GPS) (см. страницу 3 документа D3, строки 1-12). Линия связи может включать в себя оптоволоконную линию. Документ D3 также описывает дифференциальную защиту линии многоконечной системы, иллюстрированной пятью выводами в защищенной зоне (иллюстрированный штриховой линией на Фиг. 2), которая определяется и защищается пятью соответствующими реле (2), по одному реле для каждого вывода (страница 8, строки 23-29).
Патентная заявка US2011/0063767 (D4) описывает дифференциальную токовую защиту линии, или многоконечной системы линии, включающую в себя компенсацию зарядных токов. Каждый конец или узел системы измеряет ток и компенсирует зарядный ток своего кабеля перед тем (см. реферат, Фиг. 18 и §67 документа D4), как передать значение тока. Таким образом, каждый узел посылает скомпенсированное значение тока, вычисленное из измеренного тока м уменьшенный зарядный ток, другим узлам. Каждый узел также вычисляет (§68) полный дифференциальный ток из его собственного посланного значения тока и всех полученных значений токов других узлов. Сумма зарядных токов, использованных в узлах, должна равняться полному зарядному току кабельной системы (§69).
Статья Z. Gajic et al., ”Practical experience from multiterminal line differential protection installations”, Relay protection and Substation Automation of Modern Power Systems conference (Cheboksary, September 9-13, 2007) (документ D6) описывает опыт, полученный в ходе испытаний защиты. Документ D6 описывает две установки: первая установка защищает пять линий вывода, а вторая установка защищает три линии вывода. На конце каждой линии расположены устройство отключения и устройство измерения тока и напряжения. Установки используют блок дифференциальной защиты линии типа RED 670 производства компании ABB для измерения тока и напряжения и размыкания устройства отключения. Защищенные зоны не включают в себя трансформаторы. Однако, такое оборудование, как RED 670, может работать с трансформаторами и зарядными токами в защищенной зоне. Например, зарядные токи могут быть обработаны устройством RED 670, путем уменьшения его чувствительности на короткий срок во время зарядки кабеля так, чтобы зарядный ток не интерпретировался как ток короткого замыкания. Настоящее изобретение предлагает систему для защиты, использующую подобное защитное оборудование, модифицированное для того, чтобы управлять более сложными системами, такими как многоконечные системы для передачи электроэнергии от нескольких генераторов.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача этого изобретения состоит в том, чтобы решить проблему сложных энергосистем, таких как генерирующие сети, работающие на энергии ветра, и облегчить обнаружение коротких замыканий. Данное раскрытие описывает способ и устройство для обнаружения коротких замыканий в кабеле в многоконечных силовых электрических сетях, особенно в кабельных сетях для ветровых электростанций.
В принципе, если сеть функционирует, то сумма всех токов в кабеле должна быть равна нулю, то есть все токи, входящие в систему, должны выйти из системы, и измерения тока на каждом конце энергосистемы, в соответствии с законом Кирхгофа, показывают, не утекает ли ток где-нибудь в промежутке. Если трансформатор, который повышает напряжение, включен в систему передачи электроэнергии между входным и выходным узлами, должна быть выполнена компенсация с учетом коэффициента трансформации. Кроме того, предпочтительно компенсация тока также должна быть выполнена для других элементов и событий, воздействующих на ток, таких как, например, броски тока (пусковые токи) в трансформаторах, входящих в систему.
С этой целью настоящее изобретение предлагает систему для защиты системы передачи электроэнергии, в частности, систему защиты многоконечной силовой электрической сети с дифференциальной токовой защитой. Настоящее изобретение использует дифференциальную токовую защиту для того, чтобы обнаруживать короткие замыкания посредством измерения токов в кабелях, входящих и выходящих из защищенной зоны энергосистемы.
Настоящее изобретение предлагает систему дифференциальной защиты для системы передачи электроэнергии, которая включает в себя множество силовых кабелей, включающее в себя множество входных силовых кабелей для передачи электроэнергии от генераторов электроэнергии, таких как электрогенераторы, работающие на энергии ветра, и выходной силовой кабель, причем множество входных силовых кабелей связано с выходным силовым кабелем так, чтобы выходной силовой кабель обеспечивал общий выход для всех входных силовых кабелей. Предпочтительно множество силовых кабелей системы передачи электроэнергии также включает в себя по меньшей мере один, или предпочтительно множество передающих кабелей, соединяющих входные силовые кабели с выходным силовым кабелем, причем входные силовые кабели размещены в кабельных ветвях и присоединяются к выходному силовому кабелю через передающие кабели. Каждый входной и выходной силовой кабель снабжен соответствующим устройством отключения, причем каждое устройство отключения входных силовых кабелей обеспечивает электроэнергию на входе системы передачи, а устройство отключения выходного силового кабеля обеспечивает вывод электроэнергии из системы передачи. Предпочтительно также, чтобы система передачи включала в себя по меньшей мере один трансформатор между входными силовыми кабелями и выходным силовым кабелем, выполненный с возможностью преобразования электроэнергии из входных силовых кабелей в выходной силовой кабель. Система защиты, в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя множество блоков защитного оборудования, каждый из которых выполнен с возможностью размещения на соответствующем входном силовом кабеле или выходном силовом кабеле для того, чтобы измерять ток и напряжение кабеля, и оперативно соединяемый с устройством отключения соответствующего силового кабеля для выборочного размыкания устройства отключения, когда система защиты обнаруживает дифференциальное короткое замыкание. Система защиты дополнительно включает в себя по меньшей мере один компенсатор зарядного тока для компенсирования дифференциальной защиты от зарядных токов кабелей системы передачи, выполненной с возможностью передавать электроэнергию от переменного числа генераторов электроэнергии, в которой использующиеся силовые кабели меняются, и в которой система защиты выполнена с возможностью корректировать компенсацию с учетом меняющегося использования системы передачи.
Следует отметить, что защита приспосабливается к изменяющейся электрической топологии системы передачи.
Главным образом, компенсация изменяется на основе силовых кабелей, являющихся неиспользуемыми, и которые потенциально должны быть заряжены.
В одном варианте осуществления, система дифференциальной защиты включает в себя базу данных, которая включает в себя зарядные токи, в которой адаптация компенсации зарядных токов включает в себя использование зарядных токов, хранящихся в базе данных.
Предпочтительно, система дифференциальной защиты включает в себя определитель топологии для того, чтобы определять электрическую топологию системы передачи, а база данных включает в себя зарядный ток для каждой топологии.
В одном варианте осуществления, система дифференциальной защиты включает в себя главный блок защиты для того, чтобы управлять каждым из блоков защитного оборудования.
Предпочтительно, главный блок защиты включает в себя коммуникационный блок, а каждый блок защитного оборудования включает в себя соответствующий коммуникационный блок для оперативного соединения главного управляющего блока с каждым из блоков защитного оборудования.
Главный блок защиты предпочтительно включает в себя определитель топологии.
Предпочтительно главный блок защиты включает в себя определитель дифференциального короткого замыкания, система защиты обнаруживает дифференциальное короткое замыкание посредством определителя дифференциального короткого замыкания, использующего токи, измеренные измерительными блоками блоков защитного оборудования.
В одном варианте осуществления, каждый из блоков защитного оборудования входных кабелей включает в себя компенсатор зарядного тока для того, чтобы обеспечивать компенсацию зарядного тока при присоединении соответствующего входного кабеля.
В одном варианте осуществления, система дифференциальной защиты дополнительно включает в себя определитель броска тока трансформатора для того, чтобы обнаруживать бросок тока трансформатора защищенной системы передачи электроэнергии, причем система защиты выполнена с возможностью блокировать дифференциальную защиту во время броска тока трансформатора.
Предпочтительно каждый блок защитного оборудования входных силовых кабелей включает в себя определитель броска тока и выполнен с возможностью блокировки связи между блоком защитного оборудования и главным блоком защиты при обнаружении броска тока трансформатора системы передачи электроэнергии.
В предпочтительном варианте осуществления, система передачи электроэнергии включает в себя многоконечный передающий кабель, соединяющий входные кабели с выходным кабелем, причем система защиты выполнена с возможностью компенсации заряда различных секций многоконечного кабеля. Входные кабели составляют ветви передающей кабельной системы, в которой каждая ветвь служит для ввода электроэнергии от соответствующего генератора электроэнергии в передающую систему. Компенсация заряда изменяется на основе незаряженных кабелей, незаряженных кабельных ветвей и незаряженных секций передающего кабеля, которые могут быть присоединены для передачи электроэнергии, так что при присоединении этих кабелей, ветвей и секций необходимые зарядные токи компенсируются.
Настоящее изобретение также предлагает способ дифференциальной защиты системы передачи электроэнергии, которая включает в себя множество силовых кабелей, включающее в себя множество входных силовых кабелей для передачи электроэнергии от генераторов электроэнергии, таких как электрогенераторы, работающие на энергии ветра, и выходной силовой кабель, причем множество входных силовых кабелей связано с выходным силовым кабелем. Каждый входной и выходной силовой кабель снабжен соответствующим устройством отключения, причем каждое устройство отключения входных силовых кабелей обеспечивает электроэнергию на входе системы передачи электроэнергии, а устройство отключения выходного силового кабеля обеспечивает электроэнергию на выходе из системы передачи электроэнергии, выполненной с возможностью передавать электроэнергию от изменяющегося числа генераторов электроэнергии, причем количество используемых силовых кабелей, является изменяющимся. Способ дифференциальной защиты включает в себя определение электрической топологии из существующего использования силовых кабелей, измерение тока и напряжения входных и выходных кабелей, компенсацию зарядных токов кабелей системы передачи электроэнергии с использованием зарядных токов, соответствующих определенной электрической топологии, путем выборочного размыкания устройств отключения при обнаружении дифференциального короткого замыкания.
В одном варианте осуществления, компенсация включает в себя использование сохраненных ранее зарядных токов, соответствующих конкретной электрической топологии.
В одном варианте осуществления, способ включает в себя отслеживание силовых кабелей на предмет броска тока трансформатора и отключения дифференциальной защиты во время броска тока.
В одном варианте осуществления, способ включает в себя передачу компенсированных зарядных токов от локальных блоков защитного оборудования в главный блок управления защитой, выполнение расчета дифференциальной защиты для обнаружения коротких замыканий в главной защите, и посылку команды на отключение блокам защитного оборудования после обнаружения короткого замыкания.
Настоящее изобретение также предлагает блок защитного оборудования для дифференциальной защиты системы передачи электроэнергии, которая включает в себя множество силовых кабелей, включающее в себя множество входных силовых кабелей для передачи электроэнергии от генераторов электроэнергии, таких как электрогенераторы, работающие на энергии ветра, и выходной силовой кабель, причем множество входных силовых кабелей связано с выходным силовым кабелем, причем каждый входной и выходной силовой кабель снабжен соответствующим устройством отключения, причем каждое устройство отключения входных силовых кабелей обеспечивает электроэнергию на входе системы передачи электроэнергии, а устройство отключения выходного силового кабеля обеспечивает электроэнергию на выходе из системы передачи электроэнергии, выполненной с возможностью передавать электроэнергию от изменяющегося числа генераторов электроэнергии, причем количество используемых силовых кабелей является изменяющимся. Блок защитного оборудования выполнен с возможностью размещения на соответствующем одном из входных кабелей или на выходном кабеле, и включает в себя измерительный блок для измерения тока и напряжения кабеля, причем блок управления оперативно подключается к устройству отключения силового кабеля для выборочного размыкания устройства отключения, компенсатор зарядного тока для компенсации дифференциальной защитой зарядных токов кабелей системы передачи электроэнергии, и блок связи. Блок защитного оборудования выполнен с возможностью передачи компенсированного тока посредством блока связи, а компенсатор зарядного тока выполнен с возможностью подстраивать компенсацию под изменяющиеся условия использования системы передачи электроэнергии.
В одном варианте осуществления блок защитного оборудования выполнен с возможностью получения идентификации электрической топологии системы передачи электроэнергии посредством коммуникационного блока, а компенсатор зарядного тока выполнен с возможностью использовать зарядный ток, соответствующий конкретной электрической топологии, для того, чтобы компенсировать измеренный ток.
В одном варианте осуществления, блок защитного оборудования включает в себя базу данных для хранения множества хранимых зарядных токов, каждый из которых соответствует идентификатору электрической топологии, и при этом компенсатор зарядного тока выполнен с возможностью использовать сохраненный в базе данных зарядный ток, соответствующей полученной информации об электрической топологии.
В одном варианте осуществления блок защитного оборудования включает в себя определитель броска тока трансформатора, оперативно связанный с коммуникационным блоком и выполненный с возможностью блокировать передачу коммуникационного блока при обнаружении броска тока трансформатора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет описано со ссылками на чертежи. Чертежи предусмотрены для иллюстративных целей и для облегчения использования настоящего изобретения, они являются упрощенными и выполнены не в масштабе.
Фиг. 1 иллюстрирует систему передачи электроэнергии и систему защиты, в соответствии с настоящим изобретением, для защиты системы передачи электроэнергии,
Фиг. 2 иллюстрирует главный управляющий блок для использования в системе защиты,
Фиг. 3 иллюстрирует защитное оборудование, в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 4 представляет собой блок-схему, описывающую способ дифференциальной защиты, в соответствии с настоящим изобретением.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает возможность защитить многоконечные кабельные сети способом, аналогичным релейной защите сборных шин, то есть для того, чтобы установить, имеется ли короткое замыкание в кабельной сети, используется алгоритм, основанный на законе Кирхгоффа.
Функция защиты может быть основана на сравнении фазоров маркированных по времени векторов тока во всех концах. Если сумма всех векторов равна нулю, то в кабельной сети нет короткого замыкания.
Например, многоконечная защита может быть основана на блоках измерения фазового вектора, где отсчеты в конкретный момент времени, или фазоры посылаются по линиям связи. Чувствительность и селективность применимой функции зависит от точности маркировки по времени, которая может быть достигнута при помощи так называемого эхо-хронометража или при помощи маркировки по времени с использованием GPS в каждом отдельном конце.
Если сумма отклоняется от нуля (+- неточность измеренных данных), то это значит, что обнаружено короткое замыкание.
Настоящее изобретение адаптировано для защиты систем с кабелями и трансформаторами в защищенной зоне системы, и в него включены дополнительные особенности для компенсации зарядного тока и обработки бросков тока трансформатора.
Выгода включения множества кабелей и по меньшей мере одного трансформатора в защищенную зону по сравнению с индивидуальной защитой каждого кабеля и трансформатора заключается в том, что зона защиты уменьшает необходимое количество трансформаторов тока, каналов связи и защитных устройств.
Данные об измеренном токе могут быть посланы из защитного оборудования в каждом блоке ветрогенератора на центральную платформу через, например, волоконно-оптические кабели или посредством микроволнового радио. Каждый входной ток, соответственно, собирается в центральном блоке, где дифференциальная защита оценивает наличие или отсутствие неисправностей в системе.
Система должна быть адаптирована для того, чтобы работать подобно дифференциальной защите шины, и предпочтительно также включает в себя расширенную функциональность для компенсации зарядного тока и обнаружения/блокировки бросков тока для трансформаторов в системе.
Настоящее изобретение может использовать блоки измерения фазора для оцифровки векторов тока из различных местоположений, таких как кабельные концы на ветряных электростанциях, которые синхронизируются посредством общего времени, например, путем использования времени GPS. Синхронизированные фазоры на комплексной плоскости сравниваются в реальном времени, и закон Кирхгофа для токов используется для того, чтобы обнаруживать короткие замыкания.
Фиг. 1 иллюстрирует ветроэнергоцентр, включающий в себя кластер ветроэнергетических установок, которые преобразуют энергию ветра в электроэнергию. Эта ветроэнергетическая система включает в себя два кластера 1, 10 ветрогенераторов, каждый из которых включает в себя множество ветрогенерирующих блоков, включающих в себя ветрогенератор, или электрогенератор 2, работающий на энергии ветра, соединенный с трансформатором 3. Генераторы, работающие на энергии ветра, производят электрическую энергию из энергии ветра посредством их турбин, и каждый трансформатор 3 повышает напряжение электроэнергии, генерируемой соответствующим генератором 2, работающим на энергии ветра. Альтернативой является использование генератора 2, работающего на энергии ветра, без трансформатора и передача электроэнергии через систему с первоначальным напряжением, так чтобы каждый генератор, работающий на энергии ветра, был связан непосредственно с системой передачи. Система передачи включает в себя кабельную энергосистему, приводящую к токосборной шине 17 для дальнейшей передачи электроэнергии в энергосистему 20. Токосборная шина 17 может быть предусмотрена в центральной подстанции 19 для нескольких многоконечных кабельных сетей передачи, находящихся в морских ветровых электростанциях, где каждая из многоконечных кабельных сетей передачи ведет от одного или более кластеров ветрогенераторов, и обеспечивает общее присоединение, например, подводное высоковольтное присоединение постоянного или переменного тока для произведенной электроэнергии к энергосистеме 20, находящейся на берегу, такой как национальная энергосистема.
Каждый ветрогенерирующий блок 2 связан через устройство 6 отключения с системой передачи. Система передачи включает в себя многоконечный кабель 9 с ветвями 4, каждый конец кабельной ветви снабжен устройством 6 отключения и расположен в ветрогенерирующем блоке 2, 3 для ввода электроэнергии в систему передачи. Единственный трансформатор 30 предусмотрен на другом конце многоконечного кабеля, т.е. на том конце, который включает в себя общий кабель 11, в который ведут все кабельные ветви. Общий кабель 11 составляет входной кабель для трансформатора 30. Общий выходной кабель 40 выходит из трансформатора 30 и заканчивается устройством 60 отключения для того, чтобы соединить систему передачи с передающим кабелем 90 и далее с подстанцией 19. Таким образом, проиллюстрированная энергосистема, включающая в себя ветрогенерирующие блоки 2, 3 в кластерах 1, 10 ветрогенерирующих блоков, посредством многоконечной системы 4, 9, 11, 40 передачи и передающего кабеля 90 собирает и направляет произведенную электроэнергию к подстанции 19 для дальнейшей передачи в потребляющую энергосистему 20. Эта система транспортировки включает в себя несколько силовых входов на соответствующих устройствах 6 отключения и передает электроэнергию к силовому выводу с единственным устройством 60 отключения. Устройства 6 отключения входной цепи и устройство 60 отключения выходной цепи отмечают периферийные точки системы передачи и зоны защиты, обеспечиваемой настоящим изобретением. Защитное оборудование 5, 50 расположено в каждой периферийной точке (в точках 6, 60). Каждое защитное оборудование 5, 50 оперативно соединено с соответствующим устройством 6, 60 отключения и предназначено для размыкания устройства 6, 60 отключения, когда в защищенной зоне происходит короткое замыкание. Таким образом, защищенная зона включает в себя многоконечный ввод (на каждом устройстве 6 отключения), который посредством множества кабельных ветвей 4, 9, соединяющихся в один кабель 11, соединен с единственным выходным концом (на устройстве 60 отключения) через трансформатор 30. Каждый ветрогенератор 2 снабжен вводом 4, 6, и единственный вывод 40, 60 предусмотрен для электроэнергии от всех ветрогенераторов (2, 2a-d).
Соответствующее защитное оборудование 5, 50 предусмотрено на каждом вводе 4 и на выводе 40. Защитное оборудование 5, 50 предусмотрено для измерения тока в соответствующем кабеле 4, 40, и передачи значения тока, соответствующего измеренному току, к центральному блоку 16 управления защиты. Переданные значения тока позволяют системе защиты, посредством блока управления 16, определить, имеется ли несоответствие между входным током и выходным током, указывающее на короткое замыкание в цепи между входом и выходом. Защитное оборудование 5, 50 также предназначено для того, чтобы разомкнуть соответствующее устройство 6, 60 отключения, если центральный блок управления 16 определит, что в защищенной зоне произошло дифференциальное короткое замыкание.
Система защиты является системой защиты от дифференциального короткого замыкания, которая в своей основе суммирует ток, входящий в защищенную зону, и сравнивает полученную сумму с током, выходящим из зоны. Система защиты выполнена с возможностью учета коэффициента трансформации трансформатора 30 системы. Например, если коэффициент трансформации трансформатора равен 1:11, то есть он повышает напряжение с 12 кВ до 132 кВ, измеренный выходной ток умножается на одиннадцать для того, чтобы облегчить прямое сравнение с суммой входных токов. Кроме того, система защиты выполнена с возможностью компенсировать зарядные токи в кабелях системы, а также обнаруживать броски тока трансформатора для того, чтобы не размыкать устройства 6, 60 отключения, когда разность тока между входным и выходным током возрастает во время зарядки кабелей или намагничивания трансформатора, соответственно, без какого бы то ни было короткого замыкания кабельных ветвей или другого короткого замыкания в защищенной зоне.
Для того, чтобы система дифференциальной защиты работала должным образом, важно измерять все токи в один и тот же момент времени. Также важно передавать значения тока быстро и надежно так, чтобы все значения токов были доступны при суммировании значений токов. С этой целью, система защиты, изображенная на Фиг. 1, использует оптоволоконную систему связи, включающую в себя оптоволокно 8, объединенное с кабелями 4, 9, 40, 90. Такая система связи имеет то преимущество, что длина передачи, а следовательно и время передачи между каждым соответствующим защитным оборудованием 5, 50 и центральным блоком управления 16 являются одинаковыми. Это облегчает обеспечение синхронизации измерений тока. Для синхронизации может использоваться так называемая эхо-синхронизация, либо альтернативно в каждом защитном оборудовании может использоваться приемник сигналов GPS (Global Positioning System, спутниковая система глобального позиционирования).
Фиг. 3 иллюстрирует блок защитного оборудования 5, 50. Функции и блоки 51-56 блока защитного оборудования будут описаны далее и могут быть осуществлены как комбинация аппаратного и программного обеспечения, например, включающая в себя блоки ввода и вывода для того, чтобы получать сигналы измерений и управлять устройством отключения, оптоволоконный соединитель для коммуникации, и микропроцессор, использующий память с хранящейся в ней компьютерной программой, подходящей для управления защитным оборудованием с тем, чтобы выполнять его различные функции. Такие блоки 51-56 и функции могут совместно использовать общий процессор и общую память или включать в себя настроенные на конкретную задачу и/или специализированные процессоры и память.
Защитное оборудование 5, 50 включает в себя измерительный блок 51 для измерения тока и напряжения кабеля (4, 40), коммуникационный блок 52, главным образом для сообщения с центральным главным блоком 16 защиты, и блок 53 управления для размыкания устройства 6 отключения. Каждый блок защитного оборудования выполнен с возможностью измерения тока кабеля (на котором он расположен), и посылать информацию о токе кабеля центральному блоку управления, и принимать от центрального блока управления ответ, такой как команда размыкания, и размыкать устройство 6 отключения после получения такой команды размыкания.
Блок защитного оборудования 5, 50 также снабжен компенсатором 54 зарядного тока и определителем 55 броска тока трансформатора. Компенсатор 54 зарядного тока выполнен с возможностью определения того, включает ли в себя ток кабеля зарядный ток кабеля, и компенсации измеренного значения тока путем вычитания предполагаемого зарядного тока. Защитное оборудование 5, 50 дополнительно выполнено с возможностью передавать значение компенсированного тока центральному блоку управления 16 (главному блоку защиты) так, чтобы дифференциальная защита могла использовать компенсированный ток в качестве основания для определения дифференциального короткого замыкания, и не размыкала ошибочно цепь, интерпретируя зарядный ток кабеля как короткое замыкание в кабеле.
Защитное оборудование 5, 50 также выполнено с возможностью получать от главного блока защиты 16 информацию о топологии, которую защитное оборудование 5, 50 использует для того, чтобы определить подходящее значение компенсации для зарядного тока. С этой целью защитное оборудование включает в себя базу данных 56, включающую в себя оценки зарядных токов для различных топологий энергосистемы. Защитное оборудование, следовательно, выполнено с возможностью получать информацию о топологии, такую как идентификатор топологии, для того, чтобы использовать значение компенсации зарядного тока из базы данных, которая может включать в себя таблицу, содержащую значения оценки зарядного тока для каждого идентификатора топологии. Во время использования, защитное оборудование получает сигналы измерений в измерительный блок 51, который оцифровывает сигналы в значения измерения, которые компенсатор 54 зарядного тока анализирует на предмет обнаружения емкостного зарядного тока. После обнаружения зарядного тока компенсатор 54 получает из базы данных значение компенсации тока, соответствующее сохраненной топологии, компенсирует зарядный ток, то есть вычитает компенсацию из измеренного тока, и коммуникационный блок 52 передает компенсированный ток центральному блоку управления 16. Коммуникационный блок 52 получает идентификатор топологии, указывающий на существующую электрическую топологию, которую он ранее сохранил в базе данных. Коммуникационный блок 52 может также получать команду размыкания от главного блока управления 16. Если команда размыкания получена защитным оборудованием, блок 53 управления устройством отключения размыкает устройство отключения, с которым оперативно связано защитное оборудование.
Каждое защитное оборудование 5, 50 также снабжено определителем 55 броска тока трансформатора, выполненным с возможностью обнаружения броска тока трансформатора, например, посредством анализа измеренного тока и определения, включает ли в себя ток вторую гармонику, которая указывает на подачу питания на трансформатор. Определитель 55 броска тока предусмотрен для того, чтобы предотвратить ненужное размыкание устройств отключения во время намагничивания трансформатора. Определитель 55 броска тока может быть подходящим образом выполнен с возможностью блокировать передачу, например, посредством установки сигнала или индикатора данных, выборочно разрешающего и запрещающего передачу, по меньшей мере разрешающего и запрещающего передачу тока центральному блоку 16 управления.
Стабилизация второй гармоники является доказанным способом, в котором типичная вторая гармоника при броске тока используется для того, чтобы блокировать функцию защиты от дифференциального тока. Дополнительные функции для блокирования броска тока также могут использоваться.
Фиг. 2 иллюстрирует центральный блок 16 управления, функционирующий как главный блок 16 защиты, который управляет размыкающей функцией защитного оборудования посредством посылки команд размыкания каждому защитному оборудованию, и обеспечивает защиту от дифференциального короткого замыкания на основе значений тока, получаемых от блоков защитного оборудования, то есть главный блок защиты суммирует компенсированные входные токи и компенсированный выходной ток для того, чтобы определить короткое замыкание в электрической цепи. Главный блок 16 защиты включает в себя коммуникационный блок 41 для получения значений тока и определитель 42 дифференциального короткого замыкания для анализа значений тока. Главный блок 16 защиты также включает в себя определитель 43 топологии, который идентифицирует, какая именно электрическая топология соответствует системе передачи в настоящее время. Идентификатор топологии затем передается от главного блока 16 защиты к блоку (или к каждому блоку) 5, 50 защитного оборудования. Определитель 43 топологии может определять топологическое состояние системы передачи из полученных токов посредством идентификации, какие части многоконечного кабеля в настоящее время передают электроэнергию. Альтернативно, главный блок 16 защиты может получать информацию о топологии от блока 18 управления энергосистемы, например от блока 19 управления подстанцией.
Главный блок 16 защиты получает компенсированные значения тока, а определитель 42 дифференциального короткого замыкания вычитает компенсированные входные токи из компенсированного выходного тока.
Альтернативой является позволить центральному главному блоку 16 защиты компенсировать зарядные токи централизованно, то есть передавать измеренные токи. В такой альтернативе, идентификаторы топологии не должны передаваться блокам 5 защитного оборудования, вместо этого главный блок 16 защиты должен быть способен компенсировать токи, или просуммированные входные токи за вычетом выходного силового тока, на величину зарядных токов системы, например компенсировать с использованием полного зарядного тока для системы, который связан с существующей топологией в любой данный момент времени. Таким образом, главный блок 16 защиты должен в этом случае включать в себя базу данных различных топологий и соответствующих им зарядных токов. После получения значения тока от по-прежнему незаряженного кабеля главный блок 16 защиты должен компенсировать зарядные токи этого кабеля и кабелей, которые этот кабель будет заряжать, и эта информация должна быть выведена из топологии системы и, соответственно, должна храниться для быстрого доступа во время использования.
Когда начинается зарядка кабеля, измеренный ток компенсируется зарядным током этого кабеля во время зарядки. Изменение зарядного тока в кабеле может быть определено, когда проектируется энергосистема. Изменяющийся зарядный ток отличается и зависит от рассматриваемого кабеля, например от длины и типа кабеля. Определения зарядного тока, которые используются для расчета зарядки кабеля для дифференциальной защиты линии, и/или измерения как таковые являются известными и могут использоваться при проектировании системы, и эти зарядные токи могут изменяться во времени от большого начального значения до более низкого значения установившегося режима. Зарядные токи для каждой конкретной электрической топологии энергосистемы сохраняются для того, чтобы быть легко восстановленными для быстрого доступа во время компенсации измеренных токов.
Зарядные токи определяются на основе ожидаемой зарядки кабелей и кабельных секций, таких как проиллюстрированные секции a-d кабеля 9. Например, когда подсоединен только генератор 2, самый близкий к выводу, все секции a-d являются незаряженными. Это означает, что присоединение второго генератора 2a будет заряжать соответствующий кабель 4 генератора 2a и одну секцию 9a, самый близкую к выводу, кабеля 9. Пятый генератор 2d, если он подсоединяется вторым к первому генератору 2a, будет должен зарядить свой входной кабель 4d и четыре секции 9a-d кабеля 9.
Фиг. 4 изображает способ дифференциальной защиты, который начинается на этапе 101 с определения электрической топологии системы передачи электроэнергии. Это определение основано на существующем использовании силовых кабелей 4, 9, 11, то есть на электрической топологии, описывающей силовые кабели 4, 9, 11, и секции силовых кабелей a, b, c, d, используемые в данный момент времени, то есть заряженные, и силовые кабели 4, 9, 11 и секции силовых кабелей a, b, c, d, не используемые для передачи электроэнергии, и которые после присоединения генератора 2, 2a-d посредством соответствующего устройства отключения будут заряжаться. Способ продолжается этапом 102 измерения тока и напряжения входных и выходных кабелей 4, 40, посредством их соответствующих блоков (5, 50) защитного оборудования. На следующем этапе 103 производится компенсация зарядных токов кабелей и секций кабелей (4, 9, 11, 40) системы передачи посредством использования зарядных токов, соответствующих определенной электрической топологии. Дифференциальные короткие замыкания обнаруживаются на этапе 104, где компенсированные входные токи входных кабелей 4 сравниваются с выходным током выходного кабеля 40. Компенсация может включать в себя зарядные токи всех кабелей системы передачи 4, 9, 11, 40. Если результаты вычисления, то есть разность между входящими токами и выходящим током, дают значение, которое больше чем сравнительно небольшой порог, это означает, что обнаружено короткое замыкание. Если обнаружено короткое замыкание, способ заканчивается размыканием устройств 6, 60 отключения защищенной зоны. Если короткое замыкание не обнаружено, способ возвращается на этап 101 определения электрической топологии.
Система защиты также может быть снабжена другими функциями компенсации, такими как компенсация емкостного тока во время установившегося режима, который должен быть идентифицирован и компенсирован в зависимости от существующей электрической топологии системы передачи, то есть о того, какие именно части системы передают ток в рассматриваемый момент времени.
В дополнение к этому, много других известных способов дифференциальной защиты и соответствующее оборудование могут быть реализованы и использованы при использовании системы защиты, способа и оборудования по настоящему изобретению, такие как непрерывная оценка дифференциального тока при отсутствии короткого замыкания; расчет зарядного тока во время непрерывной эксплуатации; оценка зарядного тока непосредственно перед коротким замыканием, сохраняемая во время короткого замыкания; вычитание ложных дифференциальных токов перед коротким замыканием.