СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ СЛОЖНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD TO DETECT COMPLICATED DAMAGE OF ELECTRIC SYSTEM

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, преимущественно к релейной защите и автоматике электрических систем, но может быть использовано во всех случаях, когда требуется распознать сложную ситуацию, сложившуюся в наблюдаемой системе, или, говоря иначе, сложное событие, имеющее место на некотором контролируемом объекте. Объект состоит из отдельных структурных частей - элементов. Если поврежден только один элемент, то это будет простое повреждение. Если повреждены два или более элемента, то повреждение полагается сложным.
Изобретение создано в связи с решением задачи фазовой селекции коротких замыканий в электрической системе, где могут быть повреждены две или даже три фазы. В названии заявляемого способа данное обстоятельство не нашло отражения, так как способ может быть применен и для решения любых иных задач, где приходится распознавать два или более поврежденных элемента.
Как и все изобретения, ставящие целью распознавание повреждений в электрической системе на основе всей имеющейся информации, данное предложение исходит из пионерского изобретения [1], где решалась конкретная задача построения многофазного реле сопротивления, срабатывающего при всех междуфазных замыканиях. Развитием идеи, приведшей к созданию многофазных реле, стал способ определения поврежденных фаз и зоны повреждения линии электропередачи [2]. Он дал решение многоплановой задачи, но и его нельзя считать общим, так как каждый из возможных в линии видов замыкания распознается автономно по строго определенным критериям. Ограниченность данного способа преодолена в [3-5], где достигнута инвариантность относительно типа контролируемого объекта.
Ближайшим к настоящему предложению техническим решением является способ релейной защиты энергообъекта [6], который по своей сути является способом распознавания повреждений контролируемого объекта. Главная особенность этого способа, создающая положительный эффект, заключается в применении операции обучения распознающего модуля, причем в роли учителей выступают имитационные модели данного объекта. Обсуждаемый способ, как и аналоги [2-5], обладает несомненными достоинствами при распознавании простых повреждений, таких, например, как однофазные замыкания, когда повреждена только одна фаза объекта. В приложении этого способа к сложным замыканиям, когда повреждены две или даже все три фазы электрической системы, распознающая способность существенно снижается. Причина в следующем. Распознающий модуль обучают срабатывать от сигналов, генерируемых имитационной моделью сложного повреждения, и не срабатывать от имитационных моделей альтернативных ситуаций. Но тогда оказывается, что в число ситуаций, альтернативных сложному повреждению, попадают простые повреждения. В ходе обучения они выступают антагонистами распознаваемого сложного повреждения, оставляя для него мало места в пространстве, где проходит обучение. Допустим, распознается сложное повреждение электрической системы - замыкание на землю фаз А и В. Тогда, согласно обсуждаемому способу, альтернативными следует считать не только другие сложные повреждения (фаз В и С, фаз С и А), но и три простых повреждения - отдельно фазы А, или фазы В, или фазы С.
Целью изобретения является повышение распознающей способности прототипа по отношению к сложным повреждениям электрической системы. Как и в прототипе, составляется имитационная модель сложного повреждения (α-модель) и распознающий модуль обучают срабатывать от этой модели. Новая концепция заключается в отказе от непосредственного распознавания сложного повреждения. Иначе говоря, в том, чтобы распознавать сложное повреждение по частям. А еще точнее - по отдельно взятым поврежденным элементам. Тогда при сложном повреждении электрической системы, когда, например, задеты фазы А и В, они распознаются не совместно, а порознь. Положительный эффект обеспечивается тем, что у простых (элементарных) повреждений относительно немного альтернативных ситуаций, и у разных простых повреждений они разные. Распознающих модулей становится больше, так как каждому поврежденному элементу теперь соответствует свой модуль. В случае, если сложное повреждение касается двух фаз, скажем, А и В, используются два распознающих модуля. Один из них, условно называемый основным, распознает повреждение фазы А; второй, в данном случае дополнительный, отслеживает повреждение фазы В. Распознающие модули проходят обучение. Их обучают срабатывать от одной и той же имитационной модели, воспроизводящей сложное повреждение, например, фаз А и В. Затем их обучают не срабатывать, но теперь уже от разных имитационных моделей. Первый распознающий модуль обучается от тех моделей, которые имитируют ситуации, альтернативные повреждению первого элемента, в данном случае - фазы А. Второй модуль обучается от моделей, имитирующих ситуации, альтернативные повреждению второго элемента, в нашем случае - фазы В. Если повреждение еще сложнее, т.е. задето большее число элементов системы, то будет больше распознающих модулей, и для каждого из них - своя группа альтернативных моделей.
Дополнительный пункт формулы изобретения касается выполнения распознающего модуля из двух подмодулей, работающих на срабатывание и на блокирование, а также выполнения подмодулей из групп реле, реагирующих на двумерные сигналы, в которые преобразуют всю имеющуюся информацию об электрической системе. Такое представление информации ценно тем, что оно имеет наглядную иллюстрацию на уставочных плоскостях отдельных реле.
На фиг.1 изображена основная часть структуры имитационной модели электрической системы со сложным повреждением - двухфазным замыканием на землю. Обозначение  указывает на то, что фазы А и В замкнулись на землю, а возможно еще и между собой, в определенном месте электрической системы. На фиг.2 - основная часть структуры имитационной модели со сложным повреждением тех же фаз, но иного характера. Обозначение  указывает на то, что в разных местах системы произошли замыкания на землю, в одном месте замкнулась фаза А, в другом - В.
На фиг.3 приведена структурная схема процедуры обучения распознающего модуля, выявляющего повреждение фазы А. В обучении задействованы шесть имитационных моделей, воссоздающих различные виды повреждений. Имитационные модели повреждений  и  образуют совместно комплекс моделей сложных повреждений системы в фазах А и В. Четыре другие модели имитируют альтернативные состояния системы, которые запрещается путать с повреждением фазы А (табл.1). Это однофазное замыкание либо фазы В, либо фазы С, а также сложные повреждения двух последних фаз: либо , либо .
На фиг.4 приведена аналогичная структура обучения модуля, распознающего повреждение фазы В. Первые две имитационные модели здесь те же, что и на фиг.3, так как обучение по-прежнему нацелено на сложное повреждение в составе фаз А и В. Что же касается четырех моделей альтернативных состояний, то по сравнению с фиг.3 произошла замена трех из них. Введены новые имитационные модели, а именно замыканий ,  и .
Таблица 1
К обучению двух модулей, распознающих сложные повреждения фаз А и В
Сложные повреждения (α-режимы)
Поврежденный элемент (элементарное событие)
События, альтернативные элементарному (β-режимы)
<img file="00000010.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />; <img file="00000011.tif" he="6" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
фаза А
<img file="00000012.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />, <img file="00000013.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />, <img file="00000014.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />, <img file="00000015.tif" he="8" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
фаза В
<img file="00000016.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />, <img file="00000017.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />, <img file="00000018.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />, <img file="00000019.tif" he="6" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
Осталась единственная прежняя модель альтернативного замыкания , что и понятно, так как повреждение фазы С альтернативно как повреждению фазы А, так и фазы В.
На фиг.5 показана схема распознавания сложного повреждения, в данном случае фаз А и В; схема состоит из двух обученных распознающих модулей, объединенных логической операцией И.
На фиг.6 приведена структурная схема распознающего модуля, реализованная в соответствии со вторым пунктом формулы изобретения. Наконец, на фиг.7-9 показаны области срабатывания реле, образующих структуру распознающего модуля.
Заявленный способ распознавания сложного повреждения поясняется на примере замыканий в двух фазах электрической системы, что не снижает его общности, так как описание без принципиальных изменений распространяется на иные сложные повреждения электрической системы, равно как и любых других технических систем.
Схемная основа имитационных моделей по фиг.1 и 2 представлена в виде модели трехфазной линии электропередачи 1, связывающей две части 2 и 3 электрической системы. Приведены только схемы подлежащих распознаванию повреждений, относящихся к фазам А и В. Модели альтернативных состояний системы (табл.1) построены аналогичным образом.
На фиг.3, 4 имитационные модели изображены отдельными блоками в соответствии с табл.2. Имитационные модели 4-9 играют роль учителей модуля 10, распознающего повреждение фазы А. Они воздействуют на обучаемый модуль 10 через селектор 11, который контролирует срабатывание этого модуля от моделей 4, 5 и гарантированное несрабатывание от моделей 6, 9. Аналогично этому имитационные модели 4, 5, 7, 12-14 обучают модуль 15, распознающий повреждение фазы В. Селектор 11 обеспечивает в процедуре обучения модуля 15 срабатывание от тех же моделей 4, 5, что и в предыдущей схеме, и гарантированное несрабатывание от моделей 7, 12-14. Заметим, что распознающие модули гарантируют именно несрабатывание в альтернативных ситуациях с тем, чтобы исключить вероятность ложной реакции. Срабатывание в отслеживаемой ситуации с этой точки зрения подчинено требованию исключить ложное поведение распознающих модулей.
Распознающие модули 10, 15, прошедшие обучение на имитационных моделях, включаются на совокупность сигналов реального объекта, представленных 2n-мерным вектором z, а выходы распознающих модулей событий А и В объединяются по схеме И 16. Вектор z несет всю доступную текущую и априорную информацию о состоянии объекта.
Таблица 2
Номера имитационных моделей различных замыканий
Замыкание
<img file="00000021.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000022.tif" he="6" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000023.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000024.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000025.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000026.tif" he="6" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000027.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000028.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000029.tif" he="6" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
Номер
4
5
6
7
8
9
12
13
14
αi
αβi
αi
αβi
αi
Наиболее простое и апробированное исполнение распознающего модуля включает в свой состав подмодуль срабатывания 17 и подмодуль блокирования 18. Каждый из них, в свою очередь, содержит одно и то же число n реле 19-20 с областями срабатывания S, , у подмодуля 17 и реле 21-22 с областями срабатывания S, , - у подмодуля 18. Области S и S определяются в процессе обучения модуля. Индекс α означает, что область получена в результате отображения α-режимов. Это режимы имитационных моделей 4, 5, создаваемые сложным повреждением, подлежащим распознаванию. Индекс αβ отмечает те части областей S, в которых одновременно отображаются некоторые β-режимы, т.е. режимы альтернативных моделей 6-9 при обучении модуля 10 или альтернативных моделей 7, 12-14 при обучении модуля 11.
Реле в составе каждого подмодуля объединены схемой И 23 для подмодуля срабатывания 17 и схемой И 24 для подмодуля блокирования 18. Осуществляется блокирование с помощью оконечной схемы И 25.
i
1
i
n
T
Каждое реле 19-22 реагирует на один из n двумерных сигналов z, в частном случае это может быть комплексная величина ; все они являются элементами вектора всей доступной информации z=[z,…,z,…z].
i
i
αi
i
αi
αi
αik
Предлагаемый способ распознавания сложного повреждения осуществляется в строго определенной последовательности, иллюстрируемой здесь на примере замыкания двух фаз электрической системы. Предварительно выясняется, какие элементы системы затронуты повреждением, подлежащим распознаванию. В данном случае это фазы А и В. Далее, на первом этапе реализации предлагаемого способа, составляют имитационные модели указанного сложного повреждения. Это в данном примере блоки 4, 5, которые включают в себя схемные модели по фиг.1 и 2, а также преобразователи наблюдаемых величин и априорной информации в вектор замера z. На втором этапе составляют имитационные модели 6-9, 12-14 состояний, альтернативных элементарным повреждениям. На третьем этапе производится обучение распознающих модулей 10 и 15 срабатыванию в режимах, задаваемых имитационными моделями сложных повреждений 4, 5. Операция обучения поясняется на примере фиг.6. Каждое из n реле 19-20 и 21-22 реагирует на один из двумерных сигналов z, . Двумерный сигнал может быть отображен на уставочной плоскости замера z. В зависимости от того, принадлежит сигнал α-моделям 4, 5 или же β-моделям 6-9, 12-14 будем снабжать его отображения индексами α или β (фиг.7-9). Селектор 11 подает на входы реле 19, 20 подмодуля срабатывания 17 сигналы z того множества режимов, которые имеют место при сложном повреждении. Режимы отображаются на плоскостях z в виде отдельных точек. Селектор 11 воспринимает множество точек z и формирует из них области срабатывания S. На фиг.7 показаны отображения z трех режимов (k=1, 2, 3) на первой (i=1) и последней (i=n) плоскостях.
βi
βik
βik
αi
αβi
αi
αβi
αi
На заключительном четвертом этапе распознающие модули 10 и 15 обучаются не срабатывать, т.е. блокировать себя в режимах, задаваемых β-моделями 6-9 для модуля 10 и 7, 12-14 для модуля 15. На этом этапе селектор 11 подает на входы реле 21, 22 подмодуля блокирования 18 сигналы z β-режимов. На фиг.8 показаны отображения z трех таких режимов. Они отвечают условию попадания в построенные ранее области срабатывания: Z∈S, . Иные β-режимы селектор 11 отсеивает, остаются только те β-режимы, которые вызвали срабатывание всех без исключения реле 19, 20 подмодуля 17. Множество таких режимов образует подобласти блокирования S в составе областей срабатывания S. На фиг.9 подобласти S показаны отдельно от S, теперь уже в качестве автономных областей срабатывания реле 21, 22 блокирующего подмодуля 18.
αik
αiβ
Заметим, что предлагаемый способ допускает рекуррентную организацию процесса обучения, когда вслед за первыми распознающими модулями обучаются последующие, но только теми α-режимами, которые в свою очередь отображаются во всех без исключения блокирующих областях: z∈S. В общую структуру распознавания сложного повреждения по фиг.5 последующие модули включаются по схеме ИЛИ с двумя первыми.
Предложенный способ в полной мере использует возможности распознавания сложных повреждений в электрической системе и может быть распространен на иные технические системы, а его реализация по методу обучения распознающих модулей на уставочных плоскостях способна обеспечить выявление всех физически распознаваемых повреждений.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №66343, кл. H02H 3/28, 1944.
2. Патент РФ №2037246, кл. H02H 3/40, 3/26 G01R 31/08, 1992.
3. Патент РФ №2247456, кл. H02H 3/40, 2002.
4. Патент РФ №2316780, кл. G01R 31/08, H02H 3/40, 2006.
5. Патент РФ №2316871, кл. H02H 3/40.
6. Патент РФ №2316872, кл. H02H 3/40 (прототип).