СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА
METHOD OF RELAY PROTECTION FOR POWER FACILITIES

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике. Под энергообъектом понимаются важнейшие элементы энергосистемы, такие как линии электропередачи, трансформаторы, а также отдельные части системы, наблюдаемые с разных сторон.
Известны способы релейной защиты, основанные на применении имитационной модели контролируемого объекта в его поврежденном состоянии [1-5]. Высокая сложность таких моделей объясняется тем, что место и параметры повреждения варьируются в широких пределах. Модели такого рода можно использовать для обучения релейной защиты, но не для включения в ее структуру и, следовательно, не для применения в реальном времени.
Иное дело, имитационная модель объекта в его неповрежденном состоянии. Значения ее параметров предопределены априорной информацией и режимом, предшествующим повреждению объекта. Такая модель может быть включена в структуру защиты, которая будет действовать по принципу контроля адекватности объекта и его модели [6]. Наиболее полно данный принцип реализован в техническом решении [7]. Его характерная черта - такое наблюдение объекта, которое может быть названо наблюдением «с запасом». Необходимо пояснить различие понятий «без запаса» и «с запасом». В первом случае набор наблюдаемых на объекте величин достаточен только для последующей активации его имитационной модели. Если объект не был поврежден, то активация означает воссоздание в его модели того режима, который имел место на объекте во время наблюдения. При наблюдении «с запасом» наблюдаемых величин хотя бы на одну больше, чем при наблюдении «без запаса».
В рассматриваемом техническом решении каждое место, где осуществляется наблюдение, наблюдается полностью - регистрируются и ток, и напряжение. В таком случае число наблюдаемых величин вдвое больше того, что достаточно для активации имитационной модели. На входы модели подаются наблюдаемые напряжения. Наблюдаемые токи остаются «в запасе» и используются для иной цели - сравнения с реакцией модели на приложенные напряжения.
Данное техническое решение ориентировано на решение узкой задачи - определение поврежденного фидера разветвленной электрической сети. Между тем, оно создает предпосылки для развития и обобщения способа с тем, чтобы он мог быть распространен на любые объекты электроэнергетики, коль скоро для каждого из них в их неповрежденном состоянии имеются имитационные модели. Необходимо снять ограничение - необходимость полного наблюдения каждого входа и выхода контролируемого объекта, как это предусмотрено в прототипе. Дело в том, что существует вероятность утраты информации о напряжении или токе в каком-либо месте объекта вследствие замыкания в измерительном трансформаторе напряжения или насыщения трансформатора тока.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа релейной защиты энергообъекта с использованием его имитационной модели. К модели не предъявляются какие-либо ограничительные требования. Она может быть как линейной, так и нелинейной. В последнем случае к ней неприменим принцип наложения, который играет принципиально важную роль в прототипе.
Поставленная цель достигается тем, что известный способ релейной защиты дополнен операциями, придающими ему необходимую общность. Как и в прототипе, используют модель энергообъекта в неповрежденном состоянии. Активацию модели проводят путем воздействия на каждый ее вход и выход, соответствующие входам и выходам объекта, источником сигнала, равным наблюдаемой электрической величине, полученной по результатам наблюдения. Определяют реакцию модели на произведенное воздействие.
Первое обобщение заключается в том, что на каждый вход и выход модели может быть подано одно из двух - напряжение или ток. Соответственно, реакцией модели на этом входе станет противоположная величина - ток в первом варианте и напряжение во втором.
В предлагаемом способе полное наблюдение необходимо сохранить хотя бы на одном входе или выходе объекта. В итоге получается, что все входы и выходы разделяются с информационной точки зрения на три группы. Первая - те входы и выходы, которые наблюдают и по напряжению, и по току. Вторая - только по напряжению, третья - только по току. На входы и выходы модели воздействуют, как следствие, различными источниками. На входы и выходы первой и второй групп - источниками соответствующих наблюдаемых напряжений, а третьей группы - наблюдаемых токов. Реакцию модели фиксируют в виде токов на входах и выходах только первой группы, так как только в этих местах присутствует информация о токах объекта. Располагая токами объекта и реакцией модели, определяют разностные токи, которые затем преобразуют в замер релейной защиты в виде интегральной величины или изменяющейся во времени функции максимального из разностных токов. Задают уставку (порог срабатывания) по данному замеру и производят срабатывание защиты, если замер превышает уставку. Более оригинально задание областей срабатывания на плоскости, координатами которой служат непосредственно наблюдаемый и разностный токи.
На фиг. 1 в качестве примера показан энергообъект всего лишь с двумя входами, один их которых наблюдается полностью, по току и по напряжению, а второй - наполовину, только по напряжению. На фиг. 2-4 приведены результаты наблюдения объекта - осциллограммы трех электрических величин. На фиг. 5 показана имитационная модель неповрежденного энергообъекта, активируемая источниками напряжений, воздействующими на два ее входа. На фиг. 6, 7 сопоставлены кривые наблюдаемого тока и тока как реакции модели на приложенные напряжения; на фиг. 6 - для случая, когда объект не поврежден, а на фиг. 7 - когда поврежден. Именно для этого случая на фиг. 8 определен разностный ток. На фиг. 9 приведены области срабатывания релейной защиты на плоскости, одной из координат которой является наблюдаемый ток, а другой - разностный ток.
1
1
2
1
2
1
1н
2
2н
1н
Произвольный объект 1 обладает двумя входами 2 и 3. На входе 2 в данном примере наблюдаются напряжение и ток u, i, а на входе 3 - только напряжение u. Осциллограммы наблюдаемого процесса короткого замыкания даны в предположении, что процесс носит волновой характер (фиг. 2-4). Имитационная модель 4 с двумя входами 5 и 6 полагается адекватной контролируемому объекту 1 при обязательном условии, что он не поврежден. Второе важное условие заключается в том, что для активации модели достаточно задать состояние ее входов 5 и 6, т.е. воздействовать на них источниками напряжений или токов (на один из входов можно подать напряжение, а на другой ток). Здесь принято, что вход 5 относится к первому типу (первая группа), вход 6 - ко второму (вторая группа), а входа или выхода третьей группы, где наблюдается только ток, в данном примере не имеется. Источники воздействия на модель 4 показаны в виде ЭДС 7 и 8, обозначенных как е и е. Законы изменения этих источников задают на основе результатов наблюдения объекта: е(t)=u(t), е(t)=u(t). Наблюдаемый ток i остается «в запасе».
1м
Реакция модели 4 на произведенное воздействие может быть определена как на входе 5 - ток i, так и на втором входе 6. Однако на втором входе 3 объекта 1 ток не наблюдался, и реакцию модели на втором входе 6 не с чем сравнивать, в связи с чем она не рассматривается.
1м
1н
1н
1м
Результаты сопоставления реакции модели i(t) и осциллограммы непрерывного тока i(t) (фиг. 4) принципиально зависят от того, поврежден ли объект. Если не поврежден, то модель 4 адекватна объекту 1, и ток i(t) практически совпадает с получаемой реакцией модели i(t) (фиг. 6). Разностный сигнал
1н
1м
1р
1м
будет находиться при этом на нулевом уровне. Если же объект 1 поврежден, то условие адекватности с ним модели 4 нарушится, токи i(t) и i(t) разойдутся (фиг. 7), и разностный сигнал i(t) достигнет уровня, сопоставимого с уровнем тока i(t) (фиг. 8).
1р
1н
1н
1р
1р
1н
В приводимом примере, когда имеется только одна разностная величина, о состоянии объекта говорят отображения взаимозависимостей: i(i) на плоскости с координатами i, i (фиг. 9). Характеристики срабатывания защиты в базисе мгновенных токов задаются на данной плоскости. В базисе комплексных величин, который пригоден для синусоидальных компонентов частоты сети, характеристика срабатывания может быть задана в плоскости комплексного отношения , где  и  - комплексы синусоидальных компонентов токов i(t) и i(t).
1
1
2
0
1
2
0
1н
1м
Терминал релейной защиты, действующей по предлагаемому способу, располагает моделью защищаемого объекта, что не представляет сложности для микропроцессорных защит, особенно если они входят в структуру автоматизированных систем управления энергообъектами. В функционировании защиты имеются специфические черты. Рассмотрим их на примере приведенных иллюстраций. Объект 1 наблюдается беспрерывно, ведется запись электрических величин u, t, u. В некоторый момент времени t в системе, к которой принадлежит объект, происходит повреждение. На способе работы защиты это обстоятельство никак не сказывается: модель 4 находится под постоянным воздействием напряжений источников е(t) и e(t) (фиг. 5), а так как их достаточно для активации модели, то начальные условия в ней автоматически переходят от предшествующего режима к последующему. Модель 4 в момент смены режимов t всегда обладает правильными начальными условиями, но адекватно отображать состояние объекта 1 она будет лишь в том случае, если повреждение произошло вне его (фиг. 6). Если повреждение случилось на самом объекте 1, то неадекватность проявится в том, что в модели 4 не учтено повреждение. К расхождению токов i(t) и i(t) приведет именно это обстоятельство. Расхождение токов приведет, в свою очередь, к срабатыванию защиты.
1р
1ав
1тк
0
1пд
0
Во избежание путаницы необходимо заметить, что разностный ток i(t) имеет иную природу, нежели хорошо известная аварийная составляющая тока короткого замыкания i(t), которая представляет собой разность между током текущего режима i(t), t≥t и экстраполированным на время после короткого замыкания током предшествующего режима i(t), t<t. Если  - экстраполированный ток, то
Для определения аварийной составляющей тока не требуется знание напряжений и не нужна модель объекта. Правда, присутствует трудновыполнимая операция экстраполирования. Но главное, в чем аварийная составляющая уступает разностной величине, - она не обладает селективностью, т.е. не способна выявить поврежденный объект в составе электрической системы.
В предложенном способе универсальность достигнута благодаря обнаружению особых свойств наблюдения энергообъекта, когда число наблюдаемых величин превышает число входов и выходов объекта и имеется возможность воспользоваться для решения задачи релейной защиты моделью объекта. Разумеется, такая возможность обеспечивается только современной микропроцессорной техникой.
Источники информации
1. Патент РФ №2316872, H02H 3/40, 2006.
2. Патент РФ №2404499, H02H 3/40, 2009.
3. Патент РФ №2444829, H02H 6/00, H02H 3/16, H02H 3/40, G01R 31/08, 2010.
4. Патент РФ №2450402, H02H 3/40, 2010.
5. Патент РФ №2553448, H02H 3/40, 2014.
6. Патент РФ №2516371, G01R 31/08, 2013.
7. Патент РФ №2572364, G01R 31/08, 2014.