Устройство токовой защиты

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к системной автоматике и релейной защите.

Задача полезной модели - повышение селективности устройства токовой защиты.

Поставленная задача достигается устройством токовой защиты, содержащим первый квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения. Согласно предлагаемой полезной модели введены четыре умножителя и второй квадратор.

1 з.п.ф, 5 илл.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к системной автоматике и релейной защите.

Известны токовые защиты, реагирующие на ток в защищаемом объекте. Принципы действия таких защит, варианты исполнения реле тока и напряжения на электромагнитном принципе, а также с помощью средств вычислительной техники, можно найти практически в любом учебнике по релейной защите электроэнергетических систем.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является устройство токовой защиты, реализующее способ [Патент РФ 2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. 13]. Устройство содержит квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход квадратора объединен с первым входом первого умножителя и является входом устройства, выход первого умножителя соединен с первым входом сумматора, ко второму входу сумматора подключен выход квадратора через второй умножитель, на вторые входы первого и второго умножителей подаются постоянные коэффициенты, выход сумматора подключен к первому входу схемы сравнения, на второй вход которого подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства.

Недостатком известного устройства является низкая селективность.

Для повышения селективности и чувствительности токовых защит используют дополнительную информацию о параметрах аварийного режима. Например, в некоторых схемах токовых защит дополнительно вводят контроль напряжения. В частности, измеряемые значения напряжения входят в состав алгоритмов функционирования комбинированных отсечек по току и напряжению, а также являются обязательными для обеспечения работоспособности направленных токовых защит [Например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита - М.: Энергоатомиздат, 2007. стр.197 - 206].

Если использовать значения тока и напряжения, а также подход, реализованный в [Патент РФ 2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. 13] и использующей в качестве информационной базы результаты имитационного моделирования работы электроэнергетических объектов в различных режимах и условиях возникновения коротких замыканий, то получим новое техническое решение. В этом случае принятие решения токовой защитой на срабатывание целесообразно реализовать с использованием критерия отношения правдоподобия, который для случая измеряемых тока и напряжения выглядит следующим образом

,

где p_ав(I,U), p_раб (I,U) - плотности вероятности совместного распределения тока и напряжения соответственно в аварийном и рабочем режимах; ₀ - пороговое (уставочное) значение.

Следует отметить важную деталь такой защиты, состоящую в том, что критерий отношения правдоподобия предлагает лишь одно уставочное значение, хотя использует измерения значения как тока, так и напряжения.

В общем случае при нормальном (Гауссовском) законе распределения вероятностей в рабочем и аварийном режимах имеем

,

где , , , - соответственно математические ожидания и дисперсии токов в рабочем и аварийном режимах; , , , - соответственно математические ожидания и дисперсии напряжений в рабочем и аварийном режимах; , - коэффициенты корреляции между значениями токов и напряжений соответственно в рабочих и аварийных режимах.

При заданных и отношение правдоподобия будет выглядеть следующим образом

.

Для упрощения записи введем постоянные коэффициенты

; ; ;

; ; .

Тогда отношение правдоподобия может быть записано в виде

.

После несложных преобразований и группировок выражение для (I, U) приводится к равенству

.

Прологарифмировав выражение для (I,U), переходим к правилу принятия решения на основе логарифма отношения правдоподобия, состоящем в сравнении величины

с пороговым (уставочным) значением

.

Значения , , , , , , , , , могут быть получены как по результатам имитационного моделирования и реализации модельных экспериментов, так и с помощью статистических расчетов эквивалентных схем нормального (рабочего) и аварийного режимов. При таких расчетах вместо фиксированных параметров эквивалентных схем задают случайные переменные электрических величин.

Задача полезной модели - повышение селективности устройства токовой защиты.

Поставленная задача достигается полезной моделью устройства токовой защиты, содержащей первый квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход первого квадратора объединен с первым входом первого умножителя и является первым входом устройства, ко второму входу сумматора подключен выход первого квадратора через второй умножитель, второй вход второго умножителя является входом постоянного коэффициента, выход сумматора подключен к первому входу схемы сравнения, на второй вход которой подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства токовой защиты. Согласно предлагаемой полезной модели введены четыре умножителя и второй квадратор, причем первый вход устройства через третий умножитель подключен к первому входу сумматора, вход второго квадратора объединен со вторым входом первого умножителя и первым входом пятого умножителя и является вторым входом устройства, вход четвертого умножителя соединен с входом первого умножителя, вход шестого умножителя соединен с выходом второго квадратора, на вторые входы третьего, четвертого, пятого и шестого умножителей подаются постоянные коэффициенты, выход четвертого пятого и шестого умножителей соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами сумматора.

Для технической реализации устройства токовой защиты воспользуемся выражениями логарифма отношения правдоподобия l(I,U) и уставочного значения l₀.

Структурная схема устройства токовой защиты приведена на фиг.1.

Устройство (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы; первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 умножители; сумматор 9 и схему сравнения 10.

Вход первого квадратора 1 объединен с первыми входами первого 3 и третьего 5 умножителей и является первым входом устройства. Вход второго квадратора 2 объединен со вторым входом первого умножителя 3 и первым входом пятого умножителя 7 и является вторым входом устройства. Вход второго умножителя 4 соединен с выходом первого квадратора 1, вход четвертого умножителя 6 соединен с выходом первого умножителя 3, вход шестого умножителя 8 соединен с выходом второго квадратора 2. На вторые входы второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей подаются постоянные коэффициенты соответственно ; ; ; ; .

Выходы второго 4, третьего 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей соединены соответственно со вторым, первым, третьим, четвертым и пятым входами сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к первому входу схемы сравнения 10, на второй вход которой подается пороговое (уставочное) значение l₀. Выход схемы сравнения является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства подают цифровые значения модуля тока и модуля напряжения (мгновенных амплитуд отдельной фазы). Таким образом, перед подачей на вход устройства, над током и напряжением проводились следующие операции обработки: аналоговая фильтрация низких частот; аналого-цифровое преобразование; цифровая фильтрация отсчетов тока и напряжения (например, по алгоритму дискретного преобразования Фурье); цифровое детектирование (вычисление абсолютного (модульного) значения). Как правило, исходя из поступающих на вход мгновенных амплитудных значений, традиционно рассматриваются структуры цифровой токовой защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.178, рис.4.10].

При реализации устройства (фиг.1) предварительно по полученным в результате моделирования (или статистических расчетов эквивалентных схем) значениям , , , , , , , , , производится расчет постоянных коэффициентов (a -d); ; ; (e-b); (c-f), а также выбор уставочного (порогового) значения l₀.

Отметим, что выбор уставочного значения l₀ может быть осуществлен и на основе данных моделирования. Поясним это положение примером.

Для моделирования сформирован участок сети 110 кВ (фиг.2). Имитационная модель участка сети 110 кВ реализовалась в программном комплексе МАТLAB, и изменяемые параметры модели, а также диапазоны их изменения приведены в таблице 1.

Имитировались междуфазные замыкания за трансформатором (Т1) в условиях изменения параметров сети (фиг.2). По результатам моделирования строились совместные распределения вероятностей токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах p_раб(I,U), p_ав(I,U). Пример сечения этих плотностей вероятностей p_раб(I,U) p_ав(I,U) по осям тока и напряжения приведены на фиг.3 и фиг.4. Анализ фиг.3, 4 свидетельствует, что значения как токов, так и напряжений в рабочих и аварийных режимах расположены в пересекающихся диапазонах, что свидетельствует о невозможности построения селективной токовой защиты. Действительно, как бы ни выбирались уставочные значения (фиг.3, 4) по току (I_cp ) и напряжению (U_cp), совмещение рабочих и аварийных режимов приводит к вероятностям излишнего срабатывания (Р _изл) или отказам в срабатывании (Р_отк).

Однако распределение вероятностей р(l) статистики l (фиг.5) ,

полученное по результатам моделирования примера (фиг.3, 4), свидетельствует об однозначном разделении аварийного и рабочего режимов и возможности построения селективной токовой защиты. В качестве уставочного (порогового) значения может быть, например, выбрано l₀=0, а процедура сравнения сводится к определению знака статистики l. Достижение положительного эффекта, повышения селективности, обеспечивается более полным использованием информации, заключенной в значениях тока и напряжения, а также в их взаимосвязи (коэффициенте корреляции) в рабочем и аварийном режиме.

После расчета требуемых для функционирования величин , , , , , , , , , , а также уставочного значения l₀ устройство токовой защиты (фиг.1), готово к работе. При поступлении на вход устройства дискретных модульных значений тока I и напряжения U устройство (фиг.1) реализует взвешенное суммирование

.

В последующем значение l(I,U) сравнивается с уставкой (порогом) l₀ для принятия решения о наличии аварийного режима на защищаемом объекте. Так, при l(I,U)l₀ принимается решение о наличии аварийного режима, и защита срабатывает, в противном случае l(I,U)<l ₀ срабатывание защиты не происходит.

Приведенный в материалах полезной модели статистический принцип построения токовых защит и формирования уставочных значений справедлив не только для нормального, но и для других видов статистических распределений.

Устройство токовой защиты, содержащее первый квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход первого квадратора объединен с первым входом первого умножителя и является первых входом устройства, ко второму входу сумматора подключен выход первого квадратора через второй умножитель, второй вход второго умножителя является входом постоянного коэффициента, выход сумматора подключен к первому входу схемы сравнения, на второй вход которой подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства токовой защиты, отличающееся тем, что введены четыре умножителя и второй квадратор, причем первый вход устройства через третий умножитель подключен к первому входу сумматора, вход второго квадратора объединен со вторым входом первого умножителя и первым входом пятого умножителя и является вторым входом устройства, вход четвертого умножителя соединен с выходом первого умножителя, вход шестого умножителя соединен с выходом второго квадратора, на вторые входы третьего, четвертого, пятого и шестого умножителей подаются постоянные коэффициенты, выход четвертого, пятого и шестого умножителей соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами сумматора.