Цифровое устройство защиты с централизованным резервированием для электрической подстанции

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к средствам релейной защиты.
В электротехнике широко известно автономное устройство защиты, устанавливаемое на присоединениях силовых узлов электрических подстанций [1]. Оно содержит датчики тока защищаемого присоединения, блок управления выключателем защищаемого присоединения, индивидуальный блок защиты, входы которого подключены к выходам датчиков тока защищаемого присоединения, а выход индивидуального блока защиты подключен к входу блока управления выключателем защищаемого присоединения. Автономный блок защиты устанавливается на каждом присоединении всех силовых узлов электрической подстанции. Силовым узлом подстанции, например, является секция шин низкого или высокого напряжения, к которой подключены отходящие и питающие линии. Причем, сумма токов всех присоединений силового узла подстанции (с учетом направления и фазового сдвига) равна нулю. 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, воздействуя на соответствующий блок управления выключателем.
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 информацию о токах других присоединений.
Наиболее близким по технической сущности решением является централизованное устройство, выполняющее функции защиты и использующее при этом токи группы силовых присоединений электрической подстанции [2].
В этом централизованном 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 (соседних) присоединений, использовать больше исходной информации. Благодаря этому централизованное устройство-прототип [2] обеспечивает более высокую степень достоверности и селективности выявления повреждений по сравнению с автономным устройством-аналогом [1].
Недостатком известного решения является низкая в целом надежность 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 канала связи датчика с общим (центральным) устройством, повреждение на этом присоединении останется незамеченным, что может привести к развитию аварийной ситуации.
Целью предложенной полезной модели является повышение достоверности и селективности работы устройства защиты за счет централизованного резервирования и косвенных измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем датчики тока присоединений силового узла подстанции, датчик напряжения силового узла подстанции, цифровую шину передачи сигналов датчиков, выключатели присоединений силового узла подстанции, цифровую шину передачи сигналов управления выключателями, выходы датчиков тока присоединений силового узла подстанции и датчика напряжения силового узла подстанции присоединены к цифровой шине передачи сигналов датчиков, выключатели своими входами подключены к цифровой шине передачи сигналов управления выключателями, дополнительно введен блок управления присоединениями силового узла подстанции, первый порт которого предназначен для соединения с подстанционной цифровой шиной передачи данных, цифровая шина передачи сигналов датчиков присоединена к блоку управления присоединениями силового узла подстанции через его второй порт, цифровая шина передачи сигналов управления выключателями присоединена к блоку управления присоединениями силового узла подстанции через его третий порт.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых блоков: блок управления присоединениями силового узла подстанции, и связями этого блока с остальными элементами устройства.
Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что при введении новых элементов в заявляемое устройство повышается степень достоверности и селективности действия защиты. 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 блоке управления присоединениями силового узла подстанции имеются токи всех присоединений. По первому закону Кирхгофа сумма токов (с учетом их направления, положительного или отрицательного знака в каждый момент времени) всех присоединений силового узла равна нулю [3]. Если датчик тока одного из присоединений, или его канал связи с блоком управления присоединениями силового узла подстанции выйдет из строя и информация о токе этого присоединения не будет поступать в блок управления присоединениями силового узла подстанции, то ток присоединения вычисляется в соответствии с первым законом Кирхгофа, как сумма токов других присоединений с обратным знаком. Имея полученную косвенным способом информацию о токе присоединения, датчик тока которого вышел из строя, блок управления присоединениями силового узла подстанции контролирует ток этого присоединения и напряжение в силовом узле подстанции, и выявляет возможные повреждения (например, короткие замыкания) на этом присоединении. Таким образом, сохраняются функции релейной защиты, причем сохраняются и параметры срабатывания защиты присоединения, что повышает степень достоверности и селективности действия защиты. Например, сохраняется ток срабатывания и время срабатывания для токовых защит, установленных на присоединениях.
На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового устройства защиты для электрической подстанции.
Цифровое устройство защиты с централизованным резервированием для электрической подстанции в соответствии со структурной схемой (фиг. 1) содержит: датчики 1 тока присоединений силового узла подстанции; датчик 2 напряжения силового узла подстанции; выключатели 3 присоединений силового узла подстанции; цифровую шину 4 передачи сигналов управления выключателями; цифровую шину 5 передачи сигналов датчиков; блок 6 управления присоединениями силового узла подстанции.
Выходы датчиков 1 тока присоединений силового узла подстанции и датчика 2 напряжения силового узла подстанции присоединены к цифровой шине 5 передачи сигналов датчиков, выключатели 3 своими входами подключены к цифровой шине 4 передачи сигналов управления выключателями.
Блоки 6 управления присоединениями силовых узлов подстанции через первые порты, предназначенные для соединения с подстанционной цифровой шиной передачи данных, связаны с верхним уровнем управления подстанцией.
Цифровая шина 5 передачи сигналов датчиков присоединена к блоку 6 управления присоединениями силового узла подстанции через второй порт, цифровая шина 4 передачи сигналов управления выключателями присоединена к блоку управления присоединениями силового узла подстанции через третий порт.
Элементы 1-6 и соответствующие связи образуют устройство 7 управления каждым силовым узлом подстанции. Например, секцией шин подстанции.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме сигналы от датчиков 1 тока присоединений силового узла подстанции и датчика 2 напряжения силового узла подстанции поступают через цифровую шину 5 передачи сигналов датчиков в блок 6 управления присоединениями силового узла подстанции. В качестве датчиков тока и напряжения могут использоваться любые измерительные элементы, осуществляющие, соответственно, измерение тока и напряжения, с цифровым выходом. Информация о токах присоединений, напряжении на силовом узле подстанции и состоянии выключателей из блока 6 по подстанционной шине передают на верхний уровень управления подстанцией.
В блоке 6 управления токи всех присоединений контролируются программами, осуществляющими релейную защиту по токовому или другому принципу. Дополнительно, для пуска токовых защит по признаку снижения напряжения на силовом узле подстанции (в токовых защитах с пуском по напряжению) контролируется напряжение. Например, в токовых отсечках и максимальных токовых защитах токи присоединений сравниваются с пороговыми значениями, и если ток присоединения превышает пороговое значение, то делается вывод о том, что присоединение повреждено, и это соответствующее присоединение отключается соответствующим выключателем 3 по команде блока 6 управления присоединениями силового узла подстанции. Команда на отключение передается по цифровой шине 4 передачи сигналов управления выключателями.
Централизованное резервирование защит в заявленном устройстве осуществляется следующим образом. Если в процессе нормальной работы силового узла подстанции сигнал о токе одного из присоединений не будет поступать в блок управления присоединениями силового узла подстанции, то ток этого присоединения вычисляется в соответствии с первым законом Кирхгофа, как сумма токов других присоединений с обратным знаком. Измеренный таким косвенным способом ток присоединения передается в программу, реализующую релейную защиту этого присоединения, и контролируется этой программой. В случае превышения током присоединения, измеренным косвенным способом, блок управления 6 (так же, как и при непосредственном измерении тока присоединения) формирует и передает по цифровой шине 4 команду соответствующему блоку 3 управления выключателем на отключение соответствующего поврежденного присоединения.
В известных системах релейной защиты, при потере информации о токе присоединения, повреждения на этом присоединении остаются незамеченными, что снижает достоверность и селективность действия релейной защиты и может вызвать развитие аварийной ситуации. Причем, резервирование защит присоединений осуществляется другой защитой, установленной на присоединении, по которому узел (секция шин) подстанции получает питание. При возникновении повреждения на присоединении, на котором отказала защита, резервная защита (установленная на питающем узел присоединении) отключает узел в целом (т.е. все присоединения и всех потребителей). Время срабатывания и ток срабатывания этой резервной защиты больше, чем время и ток срабатывания защиты, установленной на любом отходящем от узла присоединении.
Благодаря возможности измерять ток присоединения силового узла подстанции косвенным способом по токам других присоединений в блоке управления присоединениями силового узла подстанции достигается повышение степени достоверности и селективности действия защиты по сравнению с известными системами релейной защиты для подстанций. Кроме этого, реализуется централизованное резервирование защит присоединений 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.