Устройство цифровой дистанционной защиты

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам релейной защиты магистральных и распределительных электрических сетей, может применяться для защиты линий электропередачи, в качестве резервных защит шин, трансформаторов и др.

Сущность полезной модели: устройство цифровой дистанционной защиты содержит формирователь аналоговых сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, генератор тактовых импульсов, блок общей памяти, микро-ЭВМ верхнего уровня, устройство связи, блок ввода, блок вывода, пульт управления и блок отображения информации, причем на входы формирователя аналоговых сигналов подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов через блок аналого-цифрового преобразования подключен к блоку общей памяти и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования, устройство связи своими первым, вторым и третьим входами/выходами соединено соответственно с микро-ЭВМ верхнего уровня, блоком общей памяти и шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода и вывода, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты, а выход пульта управления и вход блока отображения информации также подключены к шине обмена, при этом введены каналы обработки информации, каждый из которых содержит цифровой коррелятор (фильтр), квадратор, накапливающий сумматор и блок деления, причем, первый и второй входы цифрового коррелятора являются входами канала обработки информации, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) соединен со входом квадратора, выход которого через накапливающий сумматор соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом канала обработки информации, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра), выходы каналов обработки информации объединены и соединены со входом устройства связи, а выходы каналов обработки информации подключены к блоку общей памяти.

1 н.п.ф., 1 илл.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам релейной защиты магистральных и распределительных электрических сетей, может применяться для защиты линий электропередачи, в качестве резервных защит шин, трансформаторов и др.

Известно устройство дистанционной защиты, основанное на применении реле сопротивления [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М: Энергоатомиздат 1998, стр.365-369].

Устройство содержит измерительную часть, логическую часть, исполнительный орган и вспомогательное блокирующее устройство.

Недостатком известного устройства является низкая устойчивость функционирования.

Известно устройство цифровой дистанционной защиты [Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.248-252 (рис.6.39)], содержащее формирователь аналоговых сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, генератор тактовых импульсов, микро-ЭВМ нижнего уровня, первое устройство связи, блок общей памяти, микро-ЭВМ верхнего уровня, второе устройство связи, блок ввода, пульт управления и блок отображения информации.

Недостатком известного устройства цифровой дистанционной защиты является низкая устойчивость функционирования.

В релейной защите под устойчивостью функционирования [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.31-32] понимается способность устройств релейной защиты сохранять стабильность измерения и обеспечивать точность измерения, характеристики, параметры и уставки при условиях установившихся режимов и переходных процессов.

Установившиеся режимы характеризуются статистической устойчивостью, а режимы, связанные с переходными процессами, динамической устойчивостью.

Для обоснования преимуществ предлагаемого устройства цифровой дистанционной защиты из общего числа факторов, влияющих на устойчивость релейной защиты [Шнеерсон Э.М. Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. - М.: Энергоиздат, 1981.], выберем, например:

- отклонения частоты электроэнергетической системы (ГОСТ 13109-97);

- апериодическую составляющую аварийного режима;

- наличие гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц (ГОСТ 13109-97).

Для токов и напряжений, содержащих переходную (апериодическую) составляющую, справедливы одни и те же соотношения, описывающие их форму [Например, Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты и автоматики. - М.: Высшая школа, 1968, стр.183-184.]. Очевидно, что в случаях отклонения частоты и наличии гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц, похожесть токов и напряжений также сохраняется. Мерой оценки степени похожести сигналов (в том числе несинусоидальной формы) выступает их взаимная корреляция [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981]. Именно это обстоятельство используется для выделения (цифровой фильтрации) синусоидальных составляющих частоты f=50 Гц в цифровых измерительных органах релейной защиты посредством дискретного преобразования Фурье (ДПФ) [Например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.108-128.; Куликов А.Л. Мисриханов М.Ш. Введение в методы цифровой релейной защиты высоковольтных ЛЭП: Учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.101-121]. При этом в качестве коэффициентов импульсной характеристики цифрового фильтра (синусного и косинусного) выступают нормированные отсчеты синусоидального сигнала. Сам цифровой фильтр реализует операцию цифровой свертки (корреляции) отсчетов входного сигнала с коэффициентами импульсной характеристики фильтра. Например, при отклонениях частоты входного сигнала от f=50 Гц, из-за разрушения «похожести» отсчетов сигнала и коэффициентов импульсной характеристики возникают ошибки, которые могут достигать - 2,3÷1,8% при отклонениях частоты f=±2 Гц. [Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи / Под ред. В.А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2003, стр.89].

Если при цифровой фильтрации (корреляции) использовать в качестве отсчетов входного сигнала - отсчеты напряжения, а в качестве коэффициентов импульсной характеристики - отсчеты тока (или наоборот), то обеспечится:

- вычисление дискретной мощности (энергии, передаваемой от места установки защиты к потребителям, рассчитанной за интервал временного анализа релейной защиты) на выходе цифрового фильтра (коррелятора);

- адаптация к отклонениям частоты электроэнергетической системы, поскольку эти отклонения частоты одинаково влияют как на токи, так и на напряжения;

- учет апериодической составляющей и гармонических составляющих частот, отличных от f=50 Гц в результирующем расчете дискретной мощности.

Отметим, что учет апериодической составляющей и гармоник частот f_i=50 Гц (i=1,2, ) в конечных вычислениях дискретной мощности нужен и важен, так как дистанционный принцип справедлив не только для частоты f=50 Гц, но и для других частот и их сумм. Это объясняется распространением закона Ома на всевозможные виды сигналов. С этой точки зрения, доказательна и корреляционная связь между током I и напряжением U (в том числе и мгновенных значений), определяемая прямопропорциональной зависимостью

U=Z·I,

где Z - комплексное сопротивление.

Как известно, линейносвязанные величины имеют модуль коэффициента корреляции равным единице [Например, Венцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1964].

Для получения аналога традиционных цифровых дистанционных расчетов необходимо отнормировать корреляцию совокупностей мгновенных значений токов и напряжений (дискретную мощность).

При этом, если дискретную мощность, рассчитанную в интервале анализа релейной защиты, разделить на нормирующий коэффициент (величину), представляющий сумму квадратов мгновенных значений (рассчитанных в том же интервале):

- токов, то получим аналог сопротивления;

- напряжений, то получим аналог проводимости.

Возможны и другие варианты, например, когда в качестве нормирующей величины (коэффициента) выступает корень квадратный из суммы квадратов мгновенных значений токов (напряжений). В этом случае итоговая расчетная величина имеет аналог напряжения (тока).

Таким образом, с помощью предложенных операций цифровой обработки при реализации дистанционной защиты достигается:

- совпадение результатов при строго гармонических токах и напряжениях с традиционными дистанционными цифровыми измерениями;

- повышение устойчивости цифровой дистанционной защиты при соответсвующих отклонениях токов и напряжений от синусоидальной формы.

Задача полезной модели - повышение устойчивости функционирования устройства цифровой дистанционной защиты.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство цифровой дистанционной защиты, содержащее формирователь аналоговых сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, генератор тактовых импульсов, блок общей памяти, микро-ЭВМ верхнего уровня, устройство связи, блок ввода, блок вывода, пульт управления и блок отображения информации, причем на входы формирователя аналоговых сигналов подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов через блок аналого-цифрового преобразования подключен к блоку общей памяти и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования, устройство связи своими первым, вторым и третьим входом/выходом соединено соответственно с микро-ЭВМ верхнего уровня, блоком общей памяти и шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода и вывода, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты, а выход пульта управления и вход блока отображения информации также подключены к шине обмена, согласно предложения, введены каналы обработки информации, каждый из которых содержит цифровой коррелятор (фильтр), квадратор, накапливающий сумматор и блок деления, причем первый и второй входы цифрового коррелятора являются входами канала обработки информации, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) соединен со входом квадратора, выход которого через накаливающий сумматор соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом канала обработки информации, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра), выходы каналов обработки информации объединены и соединены со входом устройства связи, а входы каналов обработки информации подключены к блоку общей памяти.

На фиг.1. представлена структурная схема устройства цифровой дистанционной защиты.

Устройство цифровой дистанционной защиты (фиг.1.) содержит: формирователь аналоговых сигналов 1, блок аналого-цифрового преобразования 2, генератор тактовых импульсов 3, блок общей памяти 4, каналы обработки информации 5 (содержащие цифровые корреляторы (фильтры) 6, квадраторы 7, накаливающие сумматоры 8, блоки деления 9), устройства связи 10, микро-ЭВМ верхнего уровня 11, блок ввода 12, блок вывода 13, пульт управления 14, блок отображения информации 15.

Элементы устройства цифровой дистанционной защиты соединены следующим образом. На входы формирователя аналоговых сигналов 1 подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов 1 через блок аналого-цифрового преобразователя 2 подключен к блоку общей памяти 4 и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования 2. Устройство связи 10 своими первым, вторым и третьим входами/выходами соединено соответственно с микро-ЭВМ 11 верхнего уровня, блоком общей памяти 4 шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода 12 и вывода 13, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты. Выход пульта управления 14 и вход блока отображения информации 15 также подключены к шине обмена. В каналах обработки информации 5 первый и второй входы цифрового коррелятора 6 являются входами канала обработки информации 5, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) 6 соединен со входом квадратора 7, выход которого через накапливающий сумматор 8 соединен с первым входом блока деления 9. Выход блока деления 9 является выходом канала обработки информации 5, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра) 6. Выходы каналов обработки объединены и соединены со входом устройства связи 10, а входы каналов обработки информации 5 подключены к блоку общей памяти 4.

Устройство цифровой дистанционной защиты работает следующим образом.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве цифровой дистанционной защиты (фиг.1.) вычислительные операции над мгновенными значениями токов и напряжений могут производиться в действительной арифметике (без применения комплексных значений токов и напряжений), что существенно отличает структуру и функционирование предлагаемого устройства от прототипа.

Устройство (фиг.1) реализует комплекс функций трехступенчатой многофазной цифровой дистанционной защиты, обеспечивая за интервал дискретизации выполнение следующих основных операций:

- преобразование в цифровую форму восьми дискретных сигналов u_A(nT), u_B(nT), u_C(nT), u _O(nT), i_A(nT), i_B(nT), i_C (nT), i_O(nT), с использованием формирователя аналоговых сигналов (ФАС) 1, блока аналого-цифрового преобразования 2, генератора тактовых импульсов 3;

- хранение и выборку мгновенных значений токов и напряжений блоком общей памяти 4;

- расчеты нормированной взаимной корреляции совокупностей мгновенных значений токов и напряжений в каналах обработки информации 5;

- сравнение значений нормированных взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с уставками зон в микро-ЭВМ 11 верхнего уровня (три ступени по три фазы);

- блокировку при качаниях.

Микро-ЭВМ 11 верхнего уровня обеспечивает выполнение основных алгоритмов дистанционной защиты на основе расчетов нормированных значений корреляций мгновенных значений совокупностей токов и напряжений, хранимых в блоке общей памяти 4. Размеры совокупностей зависят от выбранного временного интервала анализа дистанционной защиты. Как правило, временной интервал выбирается равным периоду промышленной частоты (f=50 Гц) и соответствует T=20 мс. В течение этого интервала осуществляется выборка мгновенных значений тока и напряжения, количество которых (N) определяется отношением интервала T _a к интервалу дискретизации T

Устройство 10 организует связь микро-ЭВМ 11 с блоком общей памяти 4 и внешними устройствами (12, 13, 14, 15).

Блок ввода 12 обеспечивает поступление сигналов x₁, , x_к от внешних объектов, появление которых вызывает изменение программы выполнения логической части защиты (сигналы ускорения, АПВ и т.д.) в микро-ЭВМ 11 верхнего уровня.

Блок вывода 13 реализует передачу управляющих сигналов y₁, , y_q от защиты к другим устройствам (выключатели, регистраторы аварийных событий, сторонние комплекты релейных защит и др.). Указанные устройства на структурной схеме (фиг.1) не показаны. Пульт управления 14 служит для ввода у ставок и опробирования защиты.

Блок отображения информации 15 участвует при опробовании защиты, контроле уставок, индикации повреждений.

В связи с необходимостью реализации трех быстродействующих цифровых измерительных органов с большим числом операций умножения и сложения в предлагаемом устройстве цифровой дистанционной защиты введены специальные каналы обработки информации 5. Операции сложения и умножения являются основой цифровой обработки мгновенных значений токов и напряжений, выполняемой с использованием цифровых корреляторов (фильтров) 6, а также квадраторов 7, накапливающих сумматоров 8. С помощью указанных элементов 6, 7, 8 и блока деления 9 реализуется вычисление нормированной взаимной корреляции совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, соответсвующих каналам обработки 5. При этом выборочный массив мгновенных значений напряжений из блока общей памяти 4 подается на первый вход цифрового коррелятора (фильтра) 6, а выборочный массив мгновенных значений тока - на второй вход цифрового коррелятора (фильтра) 6. В случае использования цифрового фильтра (вместо коррелятора) в каналах обработки информации 5, выборочные массивы мгновенных значений тока подаются на выходы импульсной характеристики цифрового фильтра.

Наряду с цифровым коррелятором мгновенные значения тока подаются на квадратор 7 и в последующем на накапливающий сумматор 8. В результате вычислительных операций, выполняемых блоками 7 и 8, формируется нормирующий коэффициент, представляющий из себя сумму квадраторов мгновенных значений токов.

В последующем осуществляется деление блоком 9 результатов взаимной корреляции мгновенных значений токов и напряжений с выхода цифрового коррелятора 6 на нормирующий коэффициент с выхода накаливающего сумматора 8. Нормированные значения взаимной корреляции являются результатом вычислительных операций каналов обработки информации и через устройство связи 10 поступают в микро-ЭВМ 11 верхнего уровня.

В процессе работы устройства цифровой дистанционной защиты микроЭВМ 11 верхнего уровня реализует следующие основные функции:

- получение информации через блок ввода 12 о наличии внешних приоритетных сигналов и соответствующая перестройка логической части защиты;

- реализация алгоритма блокировки при качаниях;

- формирование характеристик срабатывания отдельных ступеней защиты на основе информации, поступающей с пульта управления 14 и сигналов x₁, , x_к;

- ввод через устройство связи 10 нормированных значений взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений, поступающих с выходов каналов обработки информации 5 (соответствующих сопротивлениям традиционной многообразной цифровой дистанционной защиты);

- сопоставление с характеристиками срабатывания вычисленных значений нормированных взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с уставочными значениями характеристик срабатывания;

- выполнение необходимых логических операций в зависимости от входных дискретных сигналов x₁ , , x_к, блока ввода 12; необходимости блокировки при качаниях; а также результатов сравнения нормированных значений взаимных корреляций совокупностей мгновенных значений токов и напряжений с характеристиками срабатывания (уставками зон);

- вывод сигналов y₁, , y_q, обеспечивающих отключение защищаемого объекта, а также и другие защиты.

Таким образом, на основе текущей информации о входных сигналах напряжения и тока, входных сигналов x₁, , x_к, микро-ЭВМ 11 верхнего уровня вырабатывает необходимые решения, характеризуемые сигналами y₁, , y_q. Процесс цифровой обработки сигналов устройством цифровой дистанционной защиты повторяется периодически с темпом, определяемым интервалом дискретизации (T).

Следует отметить, что предлагаемое устройство цифровой дистанционной защиты обеспечивает (как указывалось ранее) большую устойчивость функционирования при воздействии различного рода факторов.

Устройство цифровой дистанционной защиты, содержащее формирователь аналоговых сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, генератор тактовых импульсов, блок общей памяти, микроЭВМ верхнего уровня, устройство связи, блок ввода, блок вывода, пульт управления и блок отображения информации, причем на входы формирователя аналоговых сигналов подаются фазные напряжения и токи, а также ток и напряжение нулевой последовательности, выход формирователя аналоговых сигналов через блок аналого-цифрового преобразования подключен к блоку общей памяти и через генератор тактовых импульсов ко второму входу блока аналого-цифрового преобразования, устройство связи своими первым, вторым и третьим входами/выходами соединено соответственно с микроЭВМ верхнего уровня, блоком общей памяти и шиной обмена, к которой подключены входами/выходами блоки ввода и вывода, входными и выходными сигналами которых являются соответственно входные управляющие и выходные управляющие сигналы цифровой дистанционной защиты, а выход пульта управления и вход блока отображения информации также подключены к шине обмена, отличающееся тем, что введены каналы обработки информации, каждый из которых содержит цифровой коррелятор (фильтр), квадратор, накапливающий сумматор и блок деления, причем первый и второй входы цифрового коррелятора являются входами канала обработки информации, второй вход цифрового коррелятора (фильтра) соединен со входом квадратора, выход которого через накапливающий сумматор соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом канала обработки информации, а второй вход соединен с выходом цифрового коррелятора (фильтра), выходы каналов обработки информации объединены и соединены со входом устройства связи, а выходы каналов обработки информации подключены к блоку общей памяти.