Устройство токовой защиты

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

Задача полезной модели - создание устройства токовой защиты, обладающего высокой селективностью.

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

1 н.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 на электромагнитном принципе, а также с помощью средств вычислительной техники можно найти практически в любом учебнике по релейной защите электроэнергетических систем.

Известно, что наряду с амплитудой тока, характеризующий аварийный режим, в качестве информационного признака может выступать фаза тока [Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 2002. -312 с., ил.]. Однако схемные решения, сочетающие измерения как амплитуды, так и фазы тока для повышения эффективности (например, селективности) релейной защиты, авторам не известны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является устройство, реализующее способ токовой защиты [Патент РФ 2418347, Способ токовой защиты, опубл. 10.05.11, Б.И. 13], содержащее 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, вторые входы первого и второго умножителей являются входами постоянных коэффициентов, 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.

Статистический подход, применяемый в устройстве - прототипе, можно использовать для построения токовой защиты, сочетающей информацию об амплитуде и фазе тока, для выявления аварийных режимов в защищаемом объекте.

При этом проводится имитационное моделирование работы электроэнергетических объектов в рабочих режимах и в условиях возникновения коротких замыканий. Формируются совместные статистические распределения амплитуды и фазы тока для рабочего р_раб(I,) и аварийного p_aв(I,) режимов. Принятие решения на срабатывание релейной защиты осуществляется в соответствии с критерием отношения правдоподобия

,

где р_ав(I,), р_раб(I,) - плотности вероятности совместного распределения амплитуды и фазы тока соответственно в аварийном и рабочем режимах; ₀ - пороговое (уставочное) значение.

Например, при нормальном (Гауссовском) законе распределения вероятностей в рабочем и аварийном режимах имеем

где - соответственно математические ожидания и дисперсии амплитуды токов в рабочем и аварийном режимах;

- соответственно математические ожидания и дисперсии фазы токов в рабочем и аварийном режимах; - коэффициент корреляции между значениями амплитуды и фазы токов.

Для введенных Р_раб(I,) и Р_ав(I,) отношение правдоподобия будет выглядеть следующим образом

Введем обозначения для упрощения записи

тогда

Следует отметить, что выражение в круглых скобках является постоянных коэффициентом, так как не зависит от измеряемых параметров I, .

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

L(I,)=f·(a·I²+c·I+d·I·+e·+b·²)

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 статистических расчетах вместо фиксированных параметров эквивалентных схем задают случайные переменные электрических величин.

Задача полезной модели - создание устройства токовой защиты, обладающего высокой селективностью.

Поставленная задача достигается устройством токовой защиты, содержащим первый квадратор, первый и второй умножители, сумматор и схему сравнения, причем вход первого квадратора объединен с первым входом первого умножители и является первым входом устройства, выход первого умножителя соединен с первым входом сумматора, ко второму входу сумматора подключен выход первого квадратора через второй умножитель, вторые входы первого и второго умножителей являются входами постоянных коэффициентов, на второй вход схемы сравнения подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства. Согласно предлагаемой полезной модели введены пять умножителей и второй квадратор, причем вход третьего умножителя объединен с первым входом устройства, а выход третьего умножителя через четвертый умножитель подключен к третьему входу сумматора, вход второго квадратора объединен со вторым входом третьего умножителя и первым входом пятого умножителя и является вторым входом устройства, выход пятого умножителя подключен к четвертому входу сумматора, а выход второго квадратора через шестой умножитель подключен к пятому входу сумматора, выход сумматора через седьмой умножитель подключен к первому входу схемы сравнения, вторые входы четвертого, пятого шестого и седьмого умножителей являются входами постоянных коэффициентов.

Для технической реализации устройства токовой защиты используются выражения для логарифма отношения правдоподобия l(I,) и уставочного значения l₀.

Структурная схема устройства токовой защиты приведена на фиг.1. Устройство (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы; первый 5, второй 4, третий 3, четвертый 6, пятый 7, шестой 8 и седьмой 10 умножители; сумматор 9 и схему сравнения 11.

Вход первого квадратора 1 объединен с первыми входами первого 5 и третьего 3 умножителей и является первым входом устройства. Вход второго квадратора 2 объединен со вторым входом третьего 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 третьего умножителя 3, вход шестого умножителя 8 соединен с выходом второго квадратора 2. На вторые входы второго 4, первого 5, четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 умножителей подаются постоянные коэффициенты соответственно а; с; d; е; b. Выхода второго 4, первого 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 седьмого умножителя 10, на второй вход которого подается постоянный коэффициент f. Выход седьмого умножителя 10 подключен к первому входу схемы сравнения 11, на второй вход которой подается пороговое (уставочное) значение l₀. Выход схемы сравнения является выходом устройства токовой защиты.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства подают цифровые значения амплитуды и фазы тока (обработка производится для отдельной фазы). Таким образом, перед подачей на вход устройства, реализующего предлагаемый способ защиты, над током проводились следующие операции обработки: аналоговая фильтрация низких частот; аналого-цифровое преобразование; цифровая фильтрация отсчетов тока (например, по алгоритму дискретного преобразования Фурье); цифровое детектирование (вычисление абсолютного (модульного) значения); вычисление фазы сигнала. Как правило, исходя из поступающих на вход мгновенных 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 а; с; d; e; b; f, а также выбор уставочного (порогового) значения l ₀.

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

При моделировании был выбран участок сети 110 кВ Нижегородской энергосистемы (фиг.2). Имитационная модель участка сети 110 кВ реализовалась в программном комплексе MATLAB, и изменяемые параметры модели, а также диапазоны их изменения, приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Изменяемые параметры участка сети 110 кВ
Объект	Параметр	Диапазон изменения
Источник питания	Напряжение на шинах питающей ПС, кВ	104,5-115,5
	Частота тока, Гц	49,8-50,2
	Угол передачи, град.	30-70
	Активное сопротивление, Ом	0,65-0,95
	Индуктивность, мГн	6-8
ВЛ	Удельное активное сопротивление, Ом/км	0,19-0,26
	Удельная индуктивность, мГн/км	1,2-1,4
	Удельная емкость, нФ/км	8,8-9,2
Тран-р	Активное сопротивление, Ом	14-16
	Индуктивность, Гн	0,35-0,39
	Активное сопротивление цепи намагничивания, Мом	1,1-1,4
	Индуктивность цепи намагничивания, Гн	720-760
Потребители	Нагрузка, МВА	20-30,5
	cos ()	0,75-0,95

Имитировались междуфазные замыкания за трансформатором (Т5) в условия изменения параметров сети (фиг.2). По результатам моделирования строились совместные распределения вероятностей токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах р_раб (I,), p_ав(I,). Пример сечения этих плотностей вероятностей р_раб (I,), р_ав(I,) по осям амплитуды и фазы тока приведены на фиг.3 и фиг.4. Анализ фиг.3, 4 свидетельствует, что значения, как амплитуды тока, так и фазы тока 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 амплитуде (I _ср) и фазе (_ср) тока, 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 амплитуды и фазы тока, а также в их взаимосвязи (коэффициенте корреляции).

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 значений амплитуды тока I и фазы тока устройство (фиг.1) реализует взвешенное суммирование

.

В последующем значение l(I,) сравнивается с уставкой (порогом) l₀ для принятия решения о наличии аварийного режима на защищаемом объекте. Так, при l(I,)l₀ принимается решение о наличии аварийного режима, и защита срабатывает, в противном случае l(I,)<l₀ 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 первым входом устройства, выход первого умножителя соединен с первым входом сумматора, ко второму входу сумматора подключен выход первого квадратора через второй умножитель, вторые выходы первого и второго умножителей являются входами постоянных коэффициентов, на второй вход схемы сравнения подается уставочное значение, а выход схемы сравнения является выходом устройства, отличающееся тем, что введены пять умножителей и второй квадратор, причем вход третьего умножителя объединен с первым входом устройства, а выход третьего умножителя через четвертый умножитель подключен к третьему входу сумматора, вход второго квадратора объединен со вторым входом третьего умножителя и первым входом пятого умножителя и является вторым входом устройства, выход пятого умножителя подключен к четвертому входу сумматора, а выход второго квадратора через шестой умножитель подключен к пятому входу сумматора, выход сумматора через седьмой умножитель подключен к первому входу схемы сравнения, вторые входы четвертого, пятого, шестого и седьмого умножителей являются входами постоянных коэффициентов.