Патент на изобретение №2316871

(54) СПОСОБ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и связано с обучением релейной защиты. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении чувствительности за счет поэтапного введения характеристик срабатывания на дополнительных плоскостях. В предлагаемом способе реализуется концепция обучения релейной защиты, при которой вводится строгая иерархия двумерных сигналов и групп реле, в соответствии с чем строится стратегия обучения. Учителями выступают имитационные модели объектов в двух множествах противостоящих режимов – контролируемых и альтернативных. В альтернативных режимах срабатывание защиты категорически запрещено. Местом обучения служат плоскости замеров – двумерных сигналов. При переходе к последующей группе исполнительных реле характеристика срабатывания основного реле всякий раз расширяется, что обеспечивает повышение чувствительности, а возникающая при этом опасность неселективной работы ликвидируется соответствующим сжатием дополнительных характеристик. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к релейной защите, и может быть применено для защиты разнообразных энергообъектов.

К настоящему времени в релейной защите оформилось направление, решающее задачу повышения чувствительности к коротким замыканиям на контролируемом объекте, а в более общем плане – повышения распознающей способности. Это класс многофазных реле [1], первым представителем которого является техническое решение [2], получившее в литературе название «реле Бреслера». Разумеется, первые представители класса многофазных реле не были ориентированы на объединение больших объемов информации. С появлением микропроцессорной техники снялась проблема накопления информации, в частности, стало возможным сохранять в памяти информацию о предшествующем режиме. Новые технические решения, относившиеся к дистанционному принципу релейной защиты, объединили информацию о текущих и предшествующих токах и напряжениях всех фаз линии электропередачи [3, 4]. Однако эти решения не распространялись на иные энергообъекты. Кроме того, их ограничивала необходимость преобразовывать информацию строго определенным образом, приводя ее к местам предполагаемых повреждений.

Наибольшей общностью на сегодняшний день обладает способ релейной защиты энергообъекта, сводящий создание защиты к обучению некоторой универсальной структуры [5, 6]. Отличительным признаком такой структуры является ее построение из элементарных реле, которые группируются двояким образом: с одной стороны по своему типу, образуя группы аналогичных реле, а с другой стороны – по функциональному назначению, образуя группы исполнительных реле. Каждая группа аналогичных реле включается на свой, только для нее предназначенный, двумерный сигнал. Двумерным сигналом может быть комплексная величина или же пара вещественных величин. В каждую группу исполнительных реле включается не более одного представителя группы аналогичных реле. Способностью к обучению обладают именно группы исполнительных реле, а не отдельно взятые элементарные реле или же совокупность аналогичных реле. Местом обучения служат плоскости двумерных сигналов, а учителями выступают имитационные модели энергообъекта в двух противостоящих типах режимов – контролируемых, на которые защита обязана реагировать, и альтернативных – на которые категорически не должна реагировать, иначе это будет означать ложную работу.

Недостаток данного способа, сужающий его функциональные возможности, связан с принципом задания характеристик срабатывания каждой группы аналогичных реле. Характеристиками служат ячейки соответствующей плоскости двумерного сигнала, задаваемые априори, вне связи со сложившейся практикой работы защиты, в расчете сразу на полный состав группы исполнительных реле. Опыт выявил неоптимальность такого подхода, когда переход к новому поколению релейной защиты происходит скачком, без преемственности с предыдущим поколением, у которого реле работают каждое на своей плоскости и с характеристиками специфической, а не стереотипной формы. Желательно также иметь возможность оставлять в составе группы исполнительных реле столько элементов, сколько требует задача, а не заранее оговоренное число. Иначе говоря, требуется такое техническое решение, которое не было бы связано с кодами групп исполнительных реле, как это имеет место в прототипе.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является расширение функциональных возможностей способа защиты и вместе с тем его упрощение.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что известный способ релейной защиты, решающий задачу объединения произвольного объема информации о состоянии энергообъекта, совершенствуется в части тех признаков, которые имеют отношение к формированию характеристик срабатывания реле, входящих в состав различных групп.

Физический смысл предлагаемого способа заключается в идее поступательного наращивания чувствительности защиты с обеспечением селективности на каждом этапе обучения и с сохранением достигнутых результатов вне зависимости от дальнейших событий. Предлагаемый способ вырастает из традиционной защиты, постепенно улучшая ее распознающую способность. Прототип подобными свойствами не обладает. Ему требуется полный цикл обучения для всего множества групп исполнительных реле, и он ни в какой своей части не сводится к традиционной защите. Если в прототипе ни одна из исполнительных групп реле автономной защитой не является, то же и любое неполное множество исполнительных групп, то в предлагаемом способе любой последовательный набор исполнительных групп является полноценной защитой.

В предлагаемом способе реализуется совершенно иная концепция обучения релейной защиты, нежели в прототипе. Если в прототипе все группы реле равноправны и обучаются автономно, то в предлагаемом способе вводится строгая иерархия двумерных сигналов и групп реле, сообразно с чем строится стратегия обучения. На основании опыта, накопленного релейной защитой как наукой, всегда имеется возможность выделить двумерный сигнал с наивысшей информационной ценностью. Очевидно, что именно на плоскости этого сигнала и работают традиционные защиты. Этот сигнал, его плоскость и его группу аналогичных реле предлагается расположить на вершине иерархического ряда. Они будут основными, и в предлагаемом способе играют роль основного звена в системе обучения релейной защиты. Первая группа исполнительных реле фактически состоит только из одного основного реле. Остальные группы исполнительных реле содержат по одному основному реле каждая и еще произвольное число дополнительных реле. Эти группы также располагаются и обучаются в иерархической последовательности. Оригинальным является принцип обучения. При переходе к последующей группе исполнительных реле характеристика срабатывания основного реле всякий раз расширяется, а характеристика срабатывания каждого дополнительного реле соответственно сжимается так, что ложная работа релейной защиты ни на каком этапе обучения не допускается, между тем как обеспечивается чувствительность все к новым и новым контролируемым режимам.

Дополнительные пункты формулы изобретения детализируют операцию обучения защиты, характеризуют наиболее существенные области применения способа и наиболее ценные в информационном отношении двумерные сигналы.

Иллюстрации выполнены ниже в предположении, что структура защиты включает в свой состав только две группы аналогичных реле – основную и дополнительную.

На фиг.1 приведено условное обозначение контролируемых режимов энергообъекта; каждому режиму отведена небольшая подобласть пространства объектных параметров, заключенная в кружок.

На фиг.2 приведены аналогичные обозначения альтернативных режимов; они заключены в квадраты.

На фиг.3 и 4 приведены схемы обучения защиты соответственно в контролируемых и альтернативных режимах.

На фиг.5-9 приведены результаты четырех этапов обучения защиты с построением характеристик пар элементарных реле, образующих исполнительные группы. В данном примере всего потребовалось создать четыре таких группы.

Наконец, на фиг.10 приведена структурная схема обученной релейной защиты, установленной в эксплуатацию.

Исходными в предлагаемом способе являются представления о режимах энергообъекта. Режим ассоциируется с вектором х параметров имитационной модели объекта. В описании способа фигурируют контролируемые режимы 1-16, обозначаемые х, и альтернативные режимы 17-44, обозначаемые x (– и -режимы). Контролируемые режимы воспроизводятся имитационной моделью 45. Преобразователь 46, входящий в состав релейной защиты, формирует двумерные сигналы на выходах 47, 48. В приводимом примере указаны только два таких сигнала z₁, z₂. Альтернативные режимы воспроизводятся их моделью 49 и преобразуются тем же блоком 46 в сигналы z₁, z₂. В процессе обучения защиты режимы х и x отображаются сигналами z и z на плоскостях 50, 51 замеров z₁, z₂. Процесс в данном примере завершается в четыре этапа; на первом, начальном этапе удается построить характеристику срабатывания 52, а втором – пару характеристик 53, 54, на третьем – 55, 56 и на заключительном четвертом – 57, 58.

Результатом обучения является структура защиты энергообъекта 59. В этой структуре присутствуют элементарные реле 60-66, образующие четыре исполнительные группы 67-70. Исполнительная группа содержит по одному основному реле 60, 61, 63, 65 и в общем случае по одному вспомогательному реле 62, 64, 66. Основные и вспомогательные реле объединены логическими элементами «И» 71-73. Выходные сигналы 74-77 исполнительных групп 67-70 независимы друг от друга; они поступают через элемент «ИЛИ» 78 на выход защиты 79.

Рассмотрим последовательность операций обучения защиты. На первом, начальном этапе имитационная модель 45 отображает контролируемые режимы 1-16 на плоскостях 50, 51 замеров z₁, z₂. Результаты отображения показаны в тех же условных обозначениях, что и в объектном пространстве; это цифры в кружках на фиг.5. Затем имитационная модель 49 отображает на тех же плоскостях 50, 51 альтернативные режимы 17-44. Результат отмечен квадратами на фиг.5. Анализ полученной картины показывает, что на основной плоскости 50 существует своеобразный «плацдарма, где отображения альтернативных режимов не накладываются на отображения контролируемых режимов. На фиг.5 это левая часть плоскости 50 с отображениями 1-4. Отсюда следует вывод, что без участия второй плоскости 51 возможно распознавание -принадлежности только режимов 1-4. Этап завершается построением характеристики срабатывания 52 первого основного реле 60. Вспомогательного реле здесь не требуется, но для общности можно сказать, что такое реле формально существует, и его характеристикой будет вся плоскость 51 без каких-либо ограничений. Кстати, на этой плоскости аналогичного «плацдарма» не обнаруживается (фиг.5), что исключает возможность наделения второго двумерного сигнала функциями, подобными тем, что возлагаются на первый сигнал.

Как видим, первая исполнительная группа 67 в составе одного реле 60 обладает низкой чувствительностью, но ложной работы не допускает, и может функционировать как обычная защита с одной характеристикой срабатывания.

Оригинальные черты несет в себе операция обучения защиты на втором этапе. Характеристика 50 основного реле 60 расширяется с тем, чтобы включить в область срабатывания режимы 5-8. В результате получается новое основное реле 61 с характеристикой 53. Автономно такое реле использовать нельзя, так как оно срабатывает и в альтернативных режимах 17-20 (фиг.5). Но именно здесь на выручку приходит вспомогательное реле 62. Его характеристика 54 задается с таким расчетом, чтобы оно не срабатывало в указанных режимах 17-20 (фиг.7). Здесь есть риск впасть в ошибку, полагая, что пара реле 61, 62 с характеристиками 53, 54 может исключить необходимость сохранения первого реле 60. На самом деле это не так, что видно из фиг.7. Платой за ограничение области срабатывания на плоскости 51 оказался режим 4. Как видим, исполнительная группа реле 68 защищает объект только в режимах 1-3 и 5-8, но не в режиме 4. Следовательно, вторая группа 68 дополняет первую 67, но не исключает ее. Так будет происходить обучение и на последующих этапах. На третьем этапе (фиг.8) добавляется срабатывание в режимах 9-12, но упускается не только режим 4, но еще и 3, 8. Наконец, на заключительном четвертом этапе в область срабатывания включаются оставшиеся режимы 13-16, но упускаются теперь еще и режимы 2, 7, 12 (фиг.9). В итоге оказывается, что лишь совместная работа четырех групп реле 67-70 обеспечивает защиту объекта во всех контролируемых режимах 1-16.

Способ построение релейной защиты путем поэтапного расширения области срабатывания основного реле и соответствующего сжатия областей вспомогательных реле носит, как видно из рассмотренного примера, предельно общий характер. Его операции можно конкретизировать следующим образом. К характеристике основного реле, ограничивающего чувствительность защите, добавляется область, где отображены режимы, от которых необходима защита. Этот шаг неизбежно вызовет ложную работу защиты в некоторых альтернативных режимах. Следующий шаг устраняет этот недостаток. Характеристики вспомогательных реле должны быть сжаты ровно настолько, чтобы из их областей были исключены отображения упомянутых режимов.

Следующая конкретизация, данная в дополнительных пунктах формулы изобретения, относится к двумерным сигналам. Для дифференциальных и дистанционных защит необходимы сигналы разных типов. Для дифференциальной защиты плоскость основного сигнала задается в базисе дифференциального и тормозного тока, а в качестве первого из вспомогательных сигналов предлагается взять отношение комплексов токов на входе и выходе энергообъекта. Для дистанционной защиты основной двумерный сигнал – комплексное сопротивление контура в текущем режиме. Дополнительные сигналы разнятся в зависимости от информационной базы защиты. Это может быть сопротивление контура в предшествующем режиме, либо сопротивления иных контуров, кроме контролируемого, либо сопротивление аварийных, либо симметричных составляющих.

Предлагаемый способ прошел экспериментальную проверку на сигналах, записанных цифровыми регистраторами и микропроцессорными защитами исследовательского центра «Бреслер». Модули, реализующие данный способ, предусматриваются в выпускаемых защитах в качестве опций, повышающих чувствительность к коротким замыканиям.

Источники информации

1. Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.88-89.

2. Авторское свидетельство СССР №66343, кл. Н02Н 3/28, 1944.

3. Патент РФ №1775787, кл. Н02Н 3/40, 1991.

4. Патент РФ №2066511, кл. Н02Н 3/40, G01R 31/08, 1992.

5. Патент РФ №2247456, кл. Н02Н 3/40, 2002.

6. Лямец Ю.Я., Подшивалин А.Н., Нудельман Г.С., Универсальное реле. – Сб. докладов конф. «Релейная защита и автоматика энергосистем», РАО ЕЭС, 2004, с.63-68.

Формула изобретения

1. Способ релейной защиты энергообъекта путем совместного преобразования измеряемых величин и априорной информации об энергообъекте в двумерные сигналы, воздействия каждым из них в отдельности на соответствующую группу аналогичных реле, а всеми вместе – на группы исполнительных реле, и обучения групп исполнительных реле посредством отображения контролируемых и альтернативных режимов энергообъекта на плоскостях двумерных сигналов, с включением в каждую группу исполнительных реле не более чем одного представителя от каждой группы аналогичных реле и заданием характеристик срабатывания всех представителей одной и той же группы аналогичных реле на плоскости соответствующего двумерного сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, располагают двумерные сигналы, группы аналогичных реле и группы исполнительных реле в иерархической последовательности, одну группу аналогичных реле выделяют как основную, а остальные – как дополнительные, и проводят обучение групп исполнительных реле друг за другом в установленной последовательности, у первой группы исполнительных реле задают характеристику срабатывания только ее основного реле, у всех последующих групп исполнительных реле характеристику срабатывания основного реле задают путем расширения характеристики срабатывания основного реле предыдущей группы, а характеристику срабатывания каждого дополнительного реле задают путем соответствующего сжатия характеристики срабатывания аналогичного реле предыдущей группы исполнительных реле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обучение каждой последующей группы исполнительных реле выполняется путем присоединения к области срабатывания основного реле предыдущей группы дополнительной подобласти, определения альтернативных режимов, отображаемых в указанной подобласти, поочередного определения отображений каждого из них на плоскостях дополнительных двумерных сигналов и соответствующего сокращения области срабатывания одного из дополнительных реле.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что основной двумерный сигнал формируют из дифференциального и тормозного тока энергообъекта, а дополнительный двумерный сигнал формируют как отношение комплексов токов на входе и выходе энергообъекта.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что основной двумерный сигнал формируют как комплексное сопротивление контролируемого контура энергообъекта в текущем режиме.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный двумерный сигнал формируют как сопротивление контролируемого контура энергообъекта в предшествующем режиме.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительные двумерные сигналы формируют как сопротивления остальных контуров энергообъекта.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный двумерный сигнал формируют как отношение комплексов аварийных составляющих напряжения и тока.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительные двумерные сигналы формируют как сопротивления симметричных составляющих.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительные двумерные сигналы формируют как отношение комплексов токов симметричных составляющих.

РИСУНКИ