СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА
METHOD OF RELAY PROTECTION FOR POWER FACILITY

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике и может быть использовано во всех видах защит, преимущественно микропроцессорных. Оно относится к тому направлению в релейной защите, основы которого были заложены изобретением [1], где впервые поставлена и решена задача объединения информации, поступающей из различных фаз наблюдаемого объекта. Актуальность технических решений, связанных с объединением информации, значительно возросла с появлением микропроцессорной техники. Изобретения [2, 3] решили задачу объединения априорной информации о наблюдаемом объекте с текущей информацией о двух режимах: первый режим короткого замыкания, второй - тот, что предшествовал короткому замыканию. Однако область применения этих технических решений была ограничена линиями передачи.
Более общее решение - способ релейной защиты произвольного энергообъекта [4], в котором удалось объединить априорную информацию об энергообъекте с наблюдаемыми величинами путем совместного преобразования в двумерные сигналы и задания характеристик защиты на плоскостях двумерных сигналов. Недостатком данного предложения стало предварительное разбиение плоскостей на ячейки, кодирование групп ячеек и выбивание тех кодов, при которых имеет место срабатывание в режимах, альтернативных контролируемым. Контролируемые режимы (α-режимы) - те, в которых защита призвана срабатывать. Альтернативные режимы (β-режимы) - те, срабатывание в которых означает нежелательное действие защиты. Как бы тщательно ни проводилось обучение защиты, нет гарантии, что не будет пропущен какой-либо из кодов срабатывания в альтернативном режиме, а это означает риск неселективного поведения защиты. Существует и бескодовый способ защиты, но опять-таки с ограниченным применением для линий электропередачи [5].
Дальнейшее развитие данного направления пошло по пути разделения функций срабатывания релейной защиты в контролируемых режимах и функций блокирования в альтернативных режимах [6], а также введения операции обучения реле - модулей микропроцессорной защиты [7]. Однако в перечисленных источниках новые технические операции еще не составляли единого целого.
Наиболее эффективен способ релейной защиты, представленный в [8]. Согласно ему релейная защита предстает в виде системы, обучаемой учителями - имитационными моделями защищаемого энергообъекта. Используются имитационные модели двух типов. Первые воспроизводят α-режимы. Вторые воспроизводят β-режимы, и тогда принимаются меры, предотвращающие срабатывание защиты. Релейная защита компонуется модулями двух типов: первые формируют сигнал на срабатывание, а вторые - на блокирование защиты. В обсуждаемом способе, являющемся прототипом нового технического решения, принципиальную роль играет разграничение модулей (реле) в соответствии с принимаемой с самого начала иерархией. Такая необходимость накладывает существенные ограничения на функциональные возможности способа, снижает его общность, делая менее универсальным, чем могло бы быть, если бы все модули одного типа, образующие единую группу, были равноправны и вносили свой предельно возможный вклад в распознавание аварийной ситуации на энергообъекте.
Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и универсализации способа релейной защиты энергообъекта.
Поставленная цель достигается тем, что в известный способ защиты энергообъекта путем построения ее из групп (семейств) модулей внесены принципиальные изменения в части его структуры и операций обучения модулей и групп в целом. Как и в прототипе, информация о состоянии энергообъекта преобразуется в двумерные сигналы. Каждый сигнал отображается на его уставочной плоскости. Группы модулей обучаются от разных имитационных моделей. Первые модели воспроизводят контролируемые режимы энергообъекта, например режимы короткого замыкания в контролируемой зоне. Вторые модели воспроизводят альтернативные режимы. Обучение защиты заключается в отображении множеств режимов на плоскостях двумерных сигналов и в определении границ областей отображений. Но в отличие от прототипа все модули обучаются параллельно, без разделения на основной и дополнительные. Модули обучаются нарастающим множеством контролируемых режимов при постоянной проверке, и в этом заключается весьма существенный признак изобретения, - всеми альтернативными режимами с тем, чтобы узнать, не вызывают ли они срабатывания всех без исключения модулей, входящих в группу. Выходы всех равноправных модулей группы объединены по схеме И, а выходы всех групп - по схеме ИЛИ.
Изобретение инвариантно по отношению к имитационным моделям и к диапазонам изменения варьируемых параметров.
α
β
1
2
n
1
2
n
T
На фиг.1 изображена структурная схема обучения группы модулей релейной защиты, осуществляемого от имитационных моделей контролируемых и альтернативных режимов. Контролируемые режимы задаются множеством значений варьируемых параметров G, а альтернативные режимы - областью Gзначений параметров соответствующей модели. На фиг.2 показана структурная схема, реализующая предлагаемый способ релейной защиты. Вектор z=[z,z,…z] обозначает замер, т.е. совокупность двумерных сигналов z, z, … z, поступающих на измерительные органы (модули) релейной защиты. Фиг.3-8 иллюстрируют операции обучения одной из групп модулей. Группе присвоен верхний индекс «k», рядом с которым указываются номера этапов обучения, начиная с первого (фиг.3) и вплоть до пятого (фиг.8). Фиг.9 иллюстрирует заключительную операцию задания уставочных областей (областей срабатывания) релейной защиты.
Далее используются следующие понятия, обозначения и сокращения:
x - вектор варьируемых параметров имитационной модели;
z - вектор замера, который поступает на модули (измерительные органы) релейной защиты;
α - символ контролируемых режимов, реагировать на которые призвана релейная защита;
β - символ альтернативных режимов, на которые реагировать не следует;
α
x - вектор параметров модели контролируемых режимов;
β
x - вектор параметров модели альтернативных режимов;
i
z - i-ый двумерный сигнал;
i
i
F - оператор преобразования режима x имитационной модели в сигнал z;
α
α
G - область определения вектора x или множество α-режимов;
β
β
G - область определения вектора x или множество β-режимов;
- область α-режимов при обучении k-той группы модулей на l-ом этапе;
αi
i
S - область отображения множества α-режимов на плоскости сигнала z;
- область срабатывания i-го модуля k-ой группы реле на l-ом этапе обучения; так же обозначается и сам упомянутый модуль;
- уставочная область i-го модуля k-ой группы, задаваемая по результатам обучения;
i
i
ES - обозначение операции обучения i-го модуля релейной защиты, состоящей в преобразовании области G в область срабатывания S;
α
αi
α
αi
αi,
αi
αi
β
βi
β
βi
α
αi.
Схема, иллюстрирующая процедуру обучения релейной защиты, состоит из имитационной модели контролируемых режимов 1 с варьируемой областью изменения параметров G, преобразователей 2, 3, реализующих операции F(x)=z, , обучающих блоков 4, 5, которые выполняют техническую операцию триангуляции (окаймления) множества точек z образующих плоскость S, и группу модулей 6-7, представляющих собой реле с плоской областью срабатывания S. В ту же схему входит имитационная модель альтернативных режимов 8 с неизменной областью изменения параметров G, преобразователей 9, 10, реализующих операции F(x)=z, , модулей 11, 12, идентичных соответственно модулям 6 и 7, и элемента И 13, выходной сигнал которого запрещает наращивание области G имитационной модели 1, а также приостанавливает действие обучающих блоков 4, 6, изменяющих области срабатывания S
По завершению обучения формируется структура защиты (фиг.2) в составе p групп модулей 14, 15; 16; 17; 18, 19, объединяемых каждая операцией И 20-22, а все вместе -оконечной операцией ИЛИ 23.
Диаграммы на фиг.3-8 иллюстрируют процедуру обучения k-ой группы модулей релейной защиты. Процедура совершается с использованием объектного пространства α-режимов 24, объектного пространства β-режимов 25 и n уставочных плоскостей, из которых на фиг.3-8 показаны только первая плоскость 26 и последняя (n-ая) плоскость 27. На фиг.3-8 принято, что процедура обучения состоит из пяти этапов. Каждый совершается в схеме по фиг.1 и лишь по завершению всех этапов компонуется структура защиты по схеме фиг.2.
Область  определения параметров имитационной модели α-режимов 1 на каждом этапе изменяет свои размеры, на первом-четвертом этапах она расширяется (фиг.3-6), а на заключительном пятом этапе - несколько сокращается. Фиг.7 служит важным дополнением фиг.6, поясняющим физический смысл явлений, происходящих на четвертом этапе.
β
β
βi
β
βi
Область G определения параметров имитационной модели β-режимов не зависит от событий в пространстве α-режимов 24, поэтому пространство β-режимов 25 показано лишь на фиг.3 и 8, а на других иллюстрациях о присутствии области G свидетельствуют линии с обозначениями F - операторами преобразования режимов х в замеры z на плоскостях 26, 27.
Каждому из перечисленных этапов обучения релейной защиты отвечают характерные ситуации в отображениях α- и β-режимов на уставочных плоскостях. Рассмотрим их по порядку.
αi
Этап 1 (фиг.3). Выбирается относительно небольшое множество  α-режимов имитационной модели 1. Преобразователи 2, 3 формируют замеры z, обучающие модули 4, 5 отображают их на плоскостях 26, 27 в виде областей  модулей 6, 7 обучаемой k-ой группы реле.
β
β1
βn
Имитационная модель 8 β-режимов генерирует заданное множество режимов G. Преобразователи 9, 10 отображают его на плоскостях 26, 27 областями S, S, возможно, бесконечных размеров, как это показано на фиг.3 и далее на фиг.4-6.
β1
βn
Области  и S, а также  и S, в данном случае не пересекаются (фиг.3), следовательно, все множество режимов  распознаваемо на любой из уставочных плоскостей. В схеме обучения по фиг.1 все модули 11, 12 не срабатывают, и процедура наращивания множества режимов  не приостанавливается.
βi
Этап 2 (фиг.4). Множество α-режимов  увеличивается до размера  настолько, что увеличившиеся отображения  на части уставочных плоскостей, но не на всех, начинают пересекаться с неизменившимися отображениями β-режимов S. На фиг.4 эта ситуация затрагивает плоскость 26, но не проявляется на плоскости 27. Как следствие, отдельно взятая плоскость 26 отныне не способна защищать объект в заданной части пространства 24. Однако схема обучения по фиг.1 построена таким образом, что это явление не сказывается на проводимой процедуре. Дело в том, что хотя модуль 11 и сработает, но не сработает модуль 12, а следовательно, и схема И 13. Не получив блокирующего сигнала от схемы И 13, имитационная модель 1 и обучающие блоки 4, 5 продолжают процедуру наращивания множества режимов .
βi
Этап 3 (фиг.5). Множество  получает приращение до величины , настолько большой, что все увеличившиеся области  входят в пересечение с неизменными областями отображений β-режимов S. На фиг.5, как ранее на фиг.4, обозначение  относится к тем β-режимам, которые вызывают срабатывание модуля 11. Новое обозначение  отмечает β-режимы, вызывающие срабатывание модуля 12. Благодаря присутствию схемы И 13 дальнейшее зависит от того, относятся ли режимы  и  к одному и тому же или к разным подмножествам β-режимов. В данном случае полагается, что это разные подмножества. В такой ситуации схема И 13 не срабатывает, и процедура наращивания множества режимов  не приостанавливается.
β
Этап 4 (фиг.6). Этот этап связан с эффектом перерегулирования, возможным в ходе обучения релейной защиты. Имеется в виду, что множество  получает приращение до такой величины , что ее отображения  и  на плоскостях 26, 27 входят в столь значительное пересечение с отображениями β-режимов, что некоторые режимы x одновременно отображаются и в , и в . Как следствие, в структурной схеме по фиг.1 одновременно срабатывают все модули 11, 12, вслед на ними - элемент И 13, который своим выходным сигналом воздействует на имитационную модель α-режимов 1 и обучающие модули 4, 5, не только приостанавливая дальнейшее расширение множества режимов  и областей , но и предусматривая возможность их некоторого сокращения.
β
Сокращению предшествует определение взаимных областей α- и β-режимов  (фиг.7), в которых располагаются отображения только тех режимов x, которые попадают во все без исключения области . Режимы  и , не отвечающие этому условию (фиг.6), в формировании взаимных областей участия не принимают.
β1
βгр
βi
βi
βгр
β1
Этап 5 (фиг.8). Множество α-режимов  сокращается до размера , промежуточного между ним и предыдущим множеством . Критерий сокращения - уменьшение взаимных областей  до минимально возможного размера - одной точки. На фиг.8 эта точка z области , представляющая собой замер некоторого граничного β-режима х, отображаемого, разумеется, не только на первой уставочной плоскости, но и на всех остальных плоскостях: z=F(x). Однако в рассматриваемом граничном случае только одно из отображений (на фиг.8 это z) располагается на границе области  (на фиг.8 это ); прочие отображения могут располагаться как на границах, так и внутри других областей (на фиг.8 это ).
На этом заключительном этапе определяются области срабатывания модулей 6, 7 и идентичных им 11, 12, для чего из областей  исключаются малые взаимные области . Итогом становятся уставочные области  и множество распознаваемых k-ой группой модулей α-режимов  (фиг.9).
i
Структурная схема защиты составляется из групп модулей, прошедших каждая все этапы обучения (фиг.2). Группы различаются областями . Защита срабатывает, если входные двумерные сигналы z вызывают одновременные срабатывания всех модулей хотя бы одной из n групп.
Достоинством предлагаемого способа следует считать отсутствие в его структуре (фиг.2) блокирующих операций и возможность задавать обучающие множества α-режимов  в окрестности наиболее опасных состояний защищаемого объекта, таких как замыкание на шинах, металлические замыкания, замыкания на фоне максимальной передачи мощности. После того как срабатывание в подобных режимах будет обеспечено, остальные множества  выбираются с целью повышения чувствительности защиты до предельно возможного уровня.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №66343, кл. H02H 3/28, 1944.
2. Патент РФ №2066511, кл. H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.
3. Патент РФ №2149489, кл. H02H 3/40, G01R 31/08, 1999.
4. Патент РФ №2247456, кл. H02H 3/40, 2002.
5. Патент РФ №2248077, кл. H02H 3/40, 2002.
6. Патент РФ №2316780, кл. G01R 31/08, H02H 3/40, 2006.
7. Патент РФ №2316871, кл. H02H 3/40, 2006.
8. Патент РФ №2316872, кл. H02H 3/40, 2006.