Способ релейной защиты и управления электрической подстанции и устройство для его осуществления
METHOD FOR RELAY PROTECTION AND CONTROL OF ELECTRIC SUBSTATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемое изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к цифровым средствам релейной защиты и управления.
В электротехнике широко известен способ построения релейной защиты, при котором автономно отдельно на каждом элементе электроэнергетической системы контролируют параметры этого элемента, и на основе результатов контроля выявляют повреждения в этом элементе, и поврежденный элемент отключают от исправной части электроэнергетической системы [1]. Широко известно устройство, реализующее этот способ [1]. Оно содержит датчики тока защищаемого присоединения, выключатель защищаемого присоединения, автономное индивидуальное устройство защиты, входы которого подключены к выходам датчиков тока защищаемого присоединения, а выход индивидуального устройства защиты подключен к входу управления выключателя защищаемого присоединения. Автономное устройство защиты устанавливается на каждом присоединении всех силовых узлов электрической подстанции. Каждое автономное устройство защиты контролирует с помощью датчиков токи только соответствующего (своего) присоединения, и, в случае превышения контролируемым током порогового уровня, отключает соответствующее (свое) присоединение силового узла электрической подстанции.
Недостатком известного автономного устройства защиты является то, что достоверность выявления повреждения низка, поскольку оно контролирует токи (сигналы) только одного (своего) присоединения, на котором оно установлено и не использует дополнительную информацию о токах других присоединений, что могло бы повысить достоверность выявления повреждений.
Наиболее близким по технической сущности решением является централизованный способ релейной защиты и управления электрической подстанции, и централизованное устройство для его осуществления, использующее при этом токи группы силовых присоединений электрической подстанции [2].
В этом централизованном способе и устройстве защиты датчики тока силовых присоединений и входы управления выключателей силовых присоединений подключены к общему (центральному) блоку, реализующему алгоритмы релейной защиты (выявления поврежденных присоединений и отделения их от исправной части подстанции). В связи с этим, имеется возможность в алгоритмах релейной защиты использовать токи других (смежных) присоединений, использовать больше исходной информации. Благодаря этому централизованное устройство-прототип [2] обеспечивает более высокую степень достоверности и селективности выявления повреждений по сравнению с автономным способом и устройством-аналогом [1].
Недостатком известного решения является низкая в целом надежность способа и устройства-прототипа, так как в нем имеются элементы, выход из строя которых приводит к потере основной функции защиты. В частности, при выходе из строя датчика тока присоединения или локального отдельного элемента управления присоединением, повреждение на этом присоединении останется незамеченным, что может привести к развитию аварийной ситуации.
Цель изобретения состоит в повышении надежности работы релейной защиты и управления за счет комбинированного централизованного и локального управления и косвенных измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в способе релейной защиты и управления электрической подстанции заключающемся в том, что измеряют фазные токи всех присоединений силовых узлов подстанции и измеряют напряжения на этих узлах, передают в цифровом виде измеренные токи и напряжения по цифровой шине, управляют оборудованием подстанции путем реализации централизованных применительно к подстанции алгоритмов мониторинга, защиты и управления, дополнительно электрическую подстанцию условно разделяют на силовые узлы, в каждом из которых соединяются несколько электрических присоединений, контролируют исправность всех датчиков сигналов и устройств управления присоединений каждого силового узла подстанции, регистрируют токи и напряжения, суммируют пофазно фазные токи, с учетом их направления, всех присоединений каждого силового узла подстанции, если все датчики и устройства управления присоединений силового узла исправны и сумма токов, с учетом их направления, всех присоединений силового узла подстанции равна нулю, то управляют каждым присоединением силового узла подстанции путем реализации локальных применительно к присоединению алгоритмов мониторинга, защиты и управления, если выявлена неисправность датчика или устройства управления присоединения силового узла подстанции, то ток этого присоединения определяется косвенным способом, как сумма токов других присоединений с обратным знаком, и прекращают управлять этим присоединением силового узла подстанции путем реализации локальных применительно к присоединению алгоритмов мониторинга, защиты и управления, вместо этого, управляют этим присоединением силового узла подстанции путем реализации централизованных применительно к силовому узлу подстанции алгоритмов мониторинга, защиты и управления с параметрами, соответствующими параметрам срабатывания локальных применительно к присоединению алгоритмов мониторинга, защиты и управления, если же все датчики и устройства управления присоединений силового узла исправны, но сумма токов, с учетом их направления, всех присоединений силового узла подстанции не равна нулю и превышает пороговое значение, то принимают решение, что повреждение произошло непосредственно в силовом узле подстанции и отключают этот узел с помощью выключателя присоединения, по которому осуществляется питание этого силового узла подстанции.
Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве релейной защиты и управления электрической подстанции, содержащем датчики тока присоединений и напряжения узлов подстанции, цифровую шину передачи данных, выключатели присоединений, цифровые шины передачи сигналов управления выключателями присоединений, устройство управления подстанцией, датчики тока присоединений и выключатели присоединений имеются на каждом присоединении подстанции, первые выходы всех датчиков тока присоединений и напряжения узлов подстанции соединены с цифровой шиной передачи данных, которая подключена к устройству управления подстанцией через его первый порт, дополнительно введены устройства управления силового узла подстанции, подстанционная цифровая шина передачи данных, устройства управления присоединением, сигнализаторы неисправности, реле промежуточные цифровые, причем, устройства управления присоединением, сигнализаторы неисправности и реле промежуточные цифровые имеются на каждом присоединении подстанции, устройства управления силового узла подстанции имеются для каждого силового узла подстанции, устройства управления силового узла подстанции подключены к цифровой шине передачи данных через их первые порты, подключены к цифровой шине передачи сигналов управления выключателями присоединений через их вторые порты, подключены к подстанционной цифровой шине передачи данных через их третьи порты, датчики тока присоединений своими вторыми выходами подключены ко входам устройств управления соответствующих присоединений, выходы отображения состояния датчиков тока присоединений подключены к первым входам сигнализаторов неисправности соответствующих присоединений, выходы устройств управления присоединением подключены к первым входам реле промежуточных цифровых соответствующих присоединений, выходы отображения состояния устройств управления присоединением подключены ко вторым входам сигнализаторов неисправностей соответствующих присоединений, выходы сигнализаторов неисправности подключены ко вторым входам реле промежуточных цифровых соответствующих присоединений, реле промежуточные цифровые присоединены через свои порты к цифровым шинам передачи сигналов управления выключателями присоединений соответствующих силовых узлов подстанции.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное техническое решение отличается наличием новых операций, блоков и связей, которые объединены единым изобретательским замыслом, и тем самым обеспечивается достижение цели изобретения. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что при введении новых операций, блоков и связей в заявленном техническом решении повышается надежность действий релейной защиты за счет комбинированного централизованного и локального управления, взаимного замещения централизованного и локального управления, и косвенных измерений. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Это свойство проявляется следующим образом. При наличии исправных датчиков тока и выключателей на каждом присоединении силового узла подстанции в устройстве управления присоединениями силового узла подстанции имеются токи всех присоединений. По первому закону Кирхгофа сумма токов (с учетом их направления, положительного или отрицательного знака) всех присоединений силового узла равна нулю [3]. Если выйдет из строя датчик тока одного из присоединений и информация о токе этого присоединения не будет поступать в устройство управления присоединениями силового узла подстанции, или выйдет из строя устройство управления присоединением силового узла подстанции, то ток этого присоединения вычисляется в соответствии с первым законом Кирхгофа как сумма токов других присоединений с обратным знаком. Имея полученный таким косвенным способом ток присоединения, датчик тока которого вышел из строя, общее устройство управления присоединениями силового узла подстанции контролирует ток этого присоединения и выявляет возможные повреждения (например, короткие замыкания) на этом присоединении. В случае повреждения этого присоединения общее устройство управления присоединениями силового узла подстанции выявляет повреждение и отключает его от исправной части сети, воздействуя на выключатель присоединения через реле промежуточное цифровое этого присоединения. Таким образом, сохраняются функции релейной защиты присоединения, причем сохраняются и параметры срабатывания защиты присоединения (ток срабатывания, время срабатывания и др.), что повышает надежность защиты, и дополнительно степень достоверности и селективности действия защиты.
На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового устройства защиты и управления для электрической подстанции обеспечивающего осуществление заявленного технического решения.
В нормальном режиме электрическую подстанцию условно разделяют на силовые узлы, в каждом из которых соединяются несколько электрических присоединений. Например, выделяют силовой узел - секция шин 10 кВ подстанции, имеющая несколько присоединенных отходящих линий, вводное присоединение, по которому осуществляется питание этой секции шин, и присоединение, связывающее эту секцию шин с другой аналогичной секцией шин.
Цифровое устройство, в соответствии со структурной схемой (фиг. 1) содержит: датчики 1 тока присоединений силового узла подстанции и напряжения силового узла подстанции; выключатели 2 присоединений силового узла подстанции; цифровую шину 3 передачи сигналов управления выключателями присоединений силового узла подстанции; цифровую шину 4 передачи сигналов датчиков; устройство 5 управления подстанцией; устройство 6 управления силового узла подстанции; подстанционную цифровую шину 7 передачи данных; устройства 8 управления присоединением; сигнализаторы 9 неисправности; реле 10 промежуточные цифровые; модули 11 управления присоединением, которые включают в себя датчики 1, выключатели 2, устройства 8 управления присоединением; сигнализаторы 9 неисправности; реле 10 промежуточные цифровые; модули 12 управления присоединениями силового узла подстанции, включающие в себя модули 11 управления присоединением и устройства 6 управления силового узла подстанции. Количество модулей 11 управления присоединением равно количеству присоединений подстанции, а количество модулей 12 управления присоединениями силового узла подстанции равно количеству силовых узлов подстанции.
Первые выходы всех датчиков 1 тока присоединений и напряжения узлов подстанции соединены с цифровой шиной 4 передачи данных, которая подключена к устройству 5 управления подстанцией через его первый порт. Выключатели 2 своим входом управления подключены к выходу реле 10 промежуточного цифрового соответствующего присоединения.
Устройства 6 управления силового узла подстанции подключены к цифровой шине 4 передачи данных через их первые порты, подключены к цифровой шине 3 передачи сигналов управления выключателями присоединений через их вторые порты, подключены к подстанционной цифровой шине 7 передачи данных через их третьи порты.
Датчики 1 своими вторыми выходами подключены ко входам устройств 8 управления соответствующих присоединений, выходы отображения состояния датчиков 1 подключены к первым входам сигнализаторов 9 неисправности соответствующих присоединений, выходы устройств 8 управления присоединением подключены к первым входам реле 10 промежуточных цифровых соответствующих присоединений, выходы отображения состояния устройств 8 управления присоединением подключены ко вторым входам сигнализаторов 9 неисправностей соответствующих присоединений, выходы сигнализаторов 9 неисправности подключены ко вторым входам реле 10 промежуточных цифровых соответствующих присоединений, реле 10 промежуточные цифровые присоединены через свои порты к цифровым шинам 3 передачи сигналов управления выключателями присоединений соответствующих силовых узлов подстанции.
К цифровой шине 3 передачи сигналов управления выключателями присоединений каждого силового узла подстанции подключены реле 10 промежуточные цифровые через свои порты каждого присоединения этого силового узла.
Кроме этого, к подстанционной цифровой шине 7 передачи данных, присоединено каждое имеющееся на подстанции устройство 6 управления силового узла подстанции через его соответствующий первый порт.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме сигналы от датчиков 1 поступают через цифровую шину 4 передачи сигналов датчиков в устройство 6 управления присоединениями силового узла подстанции. В качестве датчиков тока и напряжения могут использоваться любые устройства, осуществляющие измерение тока, с цифровым выходом. Информация о токах присоединений, напряжении на силовых узлах подстанции и состоянии выключателей из модуля 11 через шину 3 и устройство 6 по подстанционной шине 7 передается в устройство 5 управления подстанцией. С помощью этого устройства осуществляют управление подстанцией в целом, например, по командам оперативно-диспетчерского управления через промежуточные элементы 6, 7, 10. Кроме этого, в устройстве 5 регистрируют токи, напряжения и другие параметры в виде цифровых файлов осциллограмм, характеризующие режимы подстанции, которые используют для определения места повреждения на присоединениях подстанции.
В устройство 6 через его первый порт и цифровую шину 4 от датчиков 1 поступают данные о токах всех присоединений соответствующего силового узла подстанции. При этом контролируют исправность всех датчиков сигналов и устройств управления присоединений каждого силового узла подстанции. Информацию об их состоянии передают в устройство 6 через промежуточные элементы 3 и 10 от сигнализатора 9 неисправностей. Вместе с этим, в устройстве 6 регистрируют токи всех присоединений силового узла подстанции, суммируют пофазно фазные токи всех присоединений силового узла подстанции, с учетом их направления. Если все датчики 1 и устройства 8 управления присоединений силового узла исправны, и сумма токов, с учетом их направления, всех присоединений силового узла подстанции равна нулю, то управление каждым присоединением силового узла подстанции осуществляют соответствующим модулем 11 с помощью местного устройства 8 управления присоединения, путем реализации локальных применительно к присоединению алгоритмов мониторинга, защиты и управления. Тогда, в случае возникновения повреждения присоединения (например, междуфазного короткого замыкания), устройство управления 8 соответствующего присоединения выявляет это повреждение и отключает его от силового узла подстанции, воздействуя на управляющий вход выключателя 2 через реле 10 промежуточное цифровое.
Если же все датчики 1 и устройства 8 управления присоединений силового узла исправны, но сумма токов, с учетом их направления, всех присоединений силового узла подстанции не равна нулю и превышает пороговое значение, то управление осуществляют модулем 12 с помощью устройства 6 управления силовым узлом подстанции и принимают решение, что повреждение (например, короткое замыкание) произошло непосредственно в силовом узле подстанции и отключают этот узел с помощью выключателя присоединения, по которому осуществляется питание этого силового узла подстанции.
Если выявлена неисправность датчика 1 или устройства 8 управления присоединения силового узла подстанции, то ток этого присоединения определяется косвенным способом, как сумма токов всех других присоединений с обратным знаком, и прекращают управлять этим присоединением силового узла подстанции с помощью местного модуля 11 путем реализации локальных применительно к присоединению алгоритмов мониторинга, защиты и управления. Вместо этого, управляют этим присоединением силового узла подстанции с помощью модуля 12 и устройства 6 управления силовым узлом подстанции путем реализации централизованных применительно к силовому узлу подстанции алгоритмов мониторинга, защиты и управления. Причем, управляют этим присоединением с параметрами срабатывания, соответствующими параметрам срабатывания локальных (как в модуле 11) применительно к присоединению алгоритмов мониторинга, защиты и управления.
В устройствах 6 и 8 управления токи всех присоединений контролируются программами, осуществляющими релейную защиту. Дополнительно, например, для пуска токовых защит по признаку снижения напряжения на силовом узле подстанции (в токовых защитах с пуском по напряжению) контролируется напряжение. В частности, в токовых отсечках и максимальных токовых защитах токи присоединений сравнивают с пороговыми значениями, и если ток присоединения превышает пороговое значение, то делают вывод о том, что присоединение повреждено, и это соответствующее присоединение отключают соответствующим выключателем 2 по команде устройства 6 управления силового узла подстанции. Команда на отключение передается по цифровой шине 3 передачи сигналов управления выключателями через реле 10 промежуточное цифровое.
Использование заявляемого технического решения позволяет существенно улучшить основные свойства релейной защиты, и тем самым повысить ее техническую эффективность.
Так, в известных системах релейной защиты, при потере информации о токе присоединения, повреждения на этом присоединении остаются незамеченными, что снижает надежность, достоверность и селективность действия релейной защиты и может вызвать развитие аварийной ситуации. А резервирование осуществляется защитами, установленными на головных по отношению к рассматриваемому присоединению элементах. При этом, как правило, время срабатывания этих резервных защит больше и отключают они не одно поврежденное присоединение, а еще вместе с поврежденным отключают и группу неповрежденных присоединений. Таким образом, эти резервные защиты действуют не селективно.
Благодаря возможности измерять ток присоединения силового узла подстанции косвенным способом по токам других присоединений в устройстве управления присоединениями силового узла подстанции достигается повышение надежности, степени достоверности и селективности действия защиты по сравнению с известными системами релейной защиты для подстанций. Кроме этого, реализуется централизованное резервирование защит присоединений по принципу замещения функций без снижения быстродействия и увеличения количества отключаемых присоединений, что повышает надежность и техническое совершенство защит всех присоединений силового узла подстанции.
Источники информации
1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.
2. Автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции // Дорофеев И.Н., Иванов Д.В. RU №2468407, G05B 19/00, H02J 13/00. Опубликовано 27.11.2012, Бюл. №:33.
3. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1969. - 424 с.