способ быстродействующей дистанционной защиты линий электропередачи постоянного или переменного тока по мгновенным токам и напряжениям

Формула изобретения

1. СПОСОБ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ИЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПО МГНОВЕННЫМ ТОКАМ И НАПРЯЖЕНИЯМ, согласно которому измеряют напряжения и токи в начале линии, преобразуют их с учетом особенностей модели линии и определяют параметры, имеющие отношение к предполагаемому повреждению, определяют симметричные составляющие и аварийные слагаемые токов, на основании чего определяют поврежденные фазы и местонахождение повреждения, отличающийся тем, что определяют также второй параметр и дополнительные параметры, сравнивают знаки первого и второго параметров, сравнивают дополнительные параметры с уставками, констатируют повреждения, если указанные знаки противоположны, а сравнение с уставками дало ожидаемый результат, причем в качестве первого параметра принимают напряжение в начале линии, определяют безнулевые токи и напряжения в начале линии, преобразуют их в безнулевые напряжения повреждения в конце защищаемой зоны, напряжение и ток нулевой последовательности преобразуют в напряжение нулевой последовательности повреждения в конце защищаемой зоны и формируют второй параметр как сумму указанных напряжений повреждения в конце защищаемой зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительных параметров принимают приращения первых и вторых основных параметров, сравнивают знаки соответствующих первых и вторых приращений и констатируют повреждение, если указанные знаки противоположны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного параметра принимают приращение отношений соответствующих первого и второго основных параметров и констатируют повреждение, если модуль приращения меньше уставки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного параметра принимают время несовпадения знаков соответствующих первого и второго основных параметров и констатируют повреждение, если указанное время превышает уставку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к релейной защите электрических сетей, и может быть использовано для построения дистанционной защиты линий электропередачи постоянного или переменного напряжения по мгновенным значениям входных величин, в том числе и для волновой защиты.

Известен способ дистанционной защиты на основе мгновенных значений входных токов и напряжений. Он действует по принципу идентификации схемной модели линии электропередачи с сосредоточенными параметрами.

Известны также способы релейной защиты на основе контроля волновых переходных процессов (волновая релейная защита). Они предполагают реакцию на фронты волн, распространяющихся от места короткого замыкания по направлению к месту наблюдения. Недостаток этого способа заключается в кратковременности существования информационного фактора аварии.

Известен способ, свободный от данного недостатка. Он предполагает реагирование на величины, существующие как в переходном, так и в установившемся режиме. Но ядро этого способа составляет сложная, трудно реализуемая операция определение времени смещения относительно друг друга двух подобных сигналов произвольной формы.

Известен принципиально иной подход к определению зоны повреждения линии электропередачи. Он заключается в одностороннем измерении токов и напряжений, в том числе нулевой последовательности, и в преобразовании их в параметры двух предполагаемых повреждений. Первое предполагается в начале защищаемой зоны, а второе в конце. Способ основан на важной закономерности поведения параметра повреждения, предполагаемого в произвольной точке линии. Этот параметр изменяет свой знак в неизвестном месте истинного повреждения. Если знаки двух указанных параметров противоположны, то данное обстоятельство свидетельствует о повреждении линии в контролируемой зоне. Для исключения отрицательного влияния случайных факторов на селективность способа определяются также дополнительные параметры, которые сравниваются с уставками, и повреждение констатируется только в том случае, если сравнение дает ожидаемый результат.

В указанном способе используются реактивные параметры повреждения (реактивная мощность, реактивное сопротивление), что предполагает операции только с основными гармониками токов и напряжений. Следовательно, первоначальная операция задана жестко это преобразование мгновенных токов и напряжений (отсчетов) в ортогональные составляющие. Но такое ограничение в последовательности операций имеет два недостатка. Во-первых, сужается область применения способа, так как не охватываются линии электропередачи постоянного тока. Во-вторых, снижается его быстродействие, так как фильтрация ортогональных составляющих инерционная операция, требующая времени наблюдения процесса не менее периода частоты сети.

Цель изобретения заключается в таком расширении функциональных возможностей способа, когда род тока перестает играть особую роль, и в повышении быстродействия.

Цель достигается тем, что операции, позволяющие выявить зону повреждения линии электропередачи, строятся на основе более общих закономерностей, чем известные ранее. Эти новые закономерности относятся к мгновенным величинам. Тем не менее в качестве прототипа избран способ, оперирующий главным образом ортогональными составляющими (комплексами). Но здесь нет противоречия, поскольку заявляемый способ имеет больше общих признаков с прототипом, чем с аналогами.

Как и в прототипе, измеряются линейные токи, фазные и линейные напряжения, ток и напряжение нулевой последовательности, которые преобразуются в первый параметр, определяемый в первом предположении, что повреждение произошло в начале линии, во второй параметр, определяемый во втором предположении, что повреждение произошло в конце защищаемой зоны, и в дополнительные параметры. Сравнивают знаки первого и второго параметров между собой, сравнивают дополнительные параметры с уставками и констатируют повреждение, если знаки противоположны, а сравнение с уставками дало ожидаемый результат.

Но в отличие от прототипа здесь параметры предполагаемых повреждений формируются непосредственно из мгновенных значений входных величин и представляют собой фазные и линейные напряжения в месте предполагаемого повреждения. Иначе формируются и дополнительные параметры, а именно формируются не один первый и один второй параметры, а несколько. Параметры подразделяются на фазные и линейные. В качестве первых фазных и линейных параметров принимают отсчеты измеряемых фазных и линейных напряжений. В качестве вторых параметров принимают не реальные, т. е. измеряемые, величины, а прогнозируемые (предполагаемые), определяемые в предположении, что повреждение находится в конце защищаемой зоны. Фактически, поскольку речь идет о напряжениях линии, предполагается, что контролируемая зона не повреждена вовсе. Операции, с помощью которых определяют вторые параметры, в равной степени пригодны для линий постоянного и переменного тока. Это делается через нулевую последовательность и безнулевые (центрированные) фазные величины: определяют безнулевые токи и напряжения в начале линии, которые во втором предположении (что зона не повреждена, хотя в реальности, быть может, дело обстоить иначе) преобразуют в прогнозируемые безнулевые напряжения конца защищаемой зоны, так же поступают с величинами нулевой последовательности. Суммируя отсчеты нулевого и безнулевых предполагаемых напряжений, получают отсчеты прогнозируемых фазных напряжений, а по ним и линейных в конце предположительно неповрежденной зоны. Заключительная операция попарное сравнение знаков первых и вторых параметров, выявляющее поврежденные фазы и тем самым вид повреждения. Для линий постоянного тока этих операций достаточно, а для линий переменного тока необходимы еще операции формирования и контроля дополнительных параметров. Возможны разные варианты.

В качестве дополнительных параметров могут быть приняты приращения первых и вторых основных параметров. Тогда сравнивают знаки двух приращений. При повреждении линии знаки должны быть противоположны. Иным дополнительным параметром может быть приращение отношений первого и второго основных параметров. При повреждении оно должно быть достаточно малой величиной. Наконец, дополнительным параметром может быть время несовпадения знаков первого и второго основных параметров, которое при повреждении в зоне велико, а в нормальном режиме мало.

Все указанные выше операции выполняются непосредственно над отсчетами входных величин и, следовательно, обеспечивают достижение цели независимости от рода тока и возможности получения сколь угодно малого времени срабатывания.

На фиг. 1 приведено условное изображение двухпроводной (а) и трехфазной (б) линии электропередачи с указанием измеряемых и прогнозируемых величин, а также распределение прогнозируемого напряжения вдоль повреждений линии (в); фиг. 2 служит иллюстрацией понятий "реальное напряжение" и "прогнозируемое напряжение"; на фиг.3 дана иллюстрация к примеру включения короткозамкнутой линии на постоянное напряжение; на фиг.4 на переменное напряжение; на фиг.5 приведены диаграммы, иллюстрирующие такой процесс в неповрежденной линии переменного тока, который имеет внешнее сходство с режимом короткого замыкания; на фиг.6 приведена структурная схема, представляющая собой реализацию способа.

Ниже используются следующие обозначения: х координата произвольной точки линии, х 0 и х 1 начало и конец защищаемой зоны, s и r индексы начала и конца зоны, f индекс повреждения, х_f координата точки повреждения, = А, В, С произвольная фаза, u_s u(0, t) и i_s i(0, t) измеренные напряжения и точки, (x, t) напряжения, прогнозируемые в произвольной точке при условии, что отрезок линии от начала до этой точки не поврежден, = u(l,t) прогнозируемые напряжения конца зоны, определяемые в предположении, что повреждения в зоне (0 < x < L) нет, u_so u_o (0, t), i_So i_o (0, t), u_o (l, t), (l, t) измеренные и прогнозируемые величины нулевой последовательности.

Структурная схема относится к дистанционной защите трехфазной сети. Та часть схемы, которая выявляет замыкания на землю, включает в свой состав вычитатели 1-6, предназначенные для выделения безнулевых величин

u" u u_o; i" i i_o, (1) преобразователи 7-9 для формирования прогнозируемых безнулевых фазных напряжений в конце зоны

= D_l[u, i] (2) где D оператор преобразования; аналогичный преобразователь 10 для напряжения нулевой последовательности

= D_lo[U_so,i_so] (3) сумматоры 11-13, формирующие прогнозируемые фазные напряжения

u_r u_r" + u_o, (4) три логических блока 14-16, идентифицирующих однофазные короткие замыкания (K⁽¹⁾), и логические элементы И 17-20, идентифицирующие двухфазные (K), где 1 обозначение отстающей фазы) и трехфазное замыкание на землю. Логические блоки 14-16 выполнены идентично. Они состоят из блока 21 сравнения знаков, тормозного (блокирующего) блока 22 и элемента И 23. Блок сравнения знаков срабатывает, если знаки его входных сигналов противоположны:

signu_s sign. (5)

Тормозной блок 22 выполняет более сложную функцию. Например, срабатывает, если выполняется одно из двух условий

u > a_s или > a_r (6) где а уставка по напряжению.

Вторая часть структурной схемы, являющая междуфазные замыкания, может работать с теми же входными величинами, что и первая часть. Тогда должны быть предусмотрены блоки линейных напряжений и токов, выдающие разности

u_{s, - 1} u_s u_{s, - 1};

i_{s, - 1} i_s i_{s, - 1};

= .

На фиг.6 представлен иной вариант, в котором предполагается, что линейные величины поступают непосредственно от датчиков, т.е. обе части структурной схемы автономны. При этом вторая часть схемы содержит преобразователи 24-26, ничем не отличающиеся от преобразователей 7-9, но предназначенные для формирования прогнозируемых линейных напряжений

= D_l[u_s,-1,i_s,-1] логические блоки 27-29, аналогичные блоками 14-16, но идентифицирующие двухфазные замыкания, и выходной элемнет И 30, идентифицирующий трехфазные замыкания и дублирующий реакцию первой части схемы.

Предлагаемый способ основан на некоторых закономерностях, играющих роль теоретических предпосылок. Главная из них закономерность распределения вдоль линии, поврежденной в точке х_f, прогнозируемого напряжения (x,t), определяемого так, как, если бы линия была не повреждена:

(x,t) D_x[u(o,t),i(o,t)] D_x[u_s,i_s] (7) и в частном случае

(l,t) = D_l[u_s,i_s]

Если допустить, что преобразование D_x идеально отображает реальный неповрежденный объект, то в нормальном режиме прогнозируемое напряжение (x,t) совпадает с реальным u(x,t). Но в аварийном режиме преобразование (7) отражает реальность лишь на одном отрезке линии от места наблюдения (х 0) до места повреждения (х х_f):

(x,t) u(x,t), 0 < x x_f, (8) а далее тождество нарушается

(x,t) u(x,t), x > x_f. (9)

В тех случаях, когда переходное сопротивление короткого замыкания незначительно, реальное напряжение в месте повреждения пренебрежимо мало: u(x_f, t) 0. В соответствии с выражением (8) то же показывает и прогнозируемое напряжение:

(x_f,t) 0. (10)

Преобразование (7) применяется для всех х независимо от х_f и дает такую функцию (x,t), которая в соответствии с выражением (10) пересекает ось х в точке реального замыкания x_f. В разные моменты t функции (x,t) различаются, но точка переход через нулевое значение x x_f остается неизменной (фиг.1в). Другой подобной точки на линии электропередачи нет, следовательно, для выявления повреждения в зоне необходимо установить, во-первых, проходит ли зависимость (x,t) через нулевое значение, что проверяется условием

sign u_s sign , (11) где учтено, что u_s. Во-вторых, необходимо убедиться, что нулевая точка оказалась в зоне не случайно, а занимает там стабильное положение. Если зависимость (x,t) близка к линейной, то свидетельством стабильности нулевой точки явится равенство отношений, полученных на разных кривых:

u_s1/ u_s2/ (12)

О том же говорит и несовпадение знаков приращений u_s u_s2 u_s1 и = -:

sign u_s sign . (13)

Еще одна закономерность относится к изменению переходных сопротивлений в процессе развития аварии. С развитием аварии сопротивления увеличиваются, следовательно, предположение о малости переходных сопротивлений тем правомернее, чем выше быстродействие защиты.

Рассмотрим зависимость (x,t) на некоторых примерах. Начнем с ненагруженной двухпроводной линии в установившемся режиме постоянного напряжения (фиг. 2), когда измеряемые напряжение и ток постоянны: U_s U и i_s I, а прогнозируемое напряжение определяется простым преобразованием

(x, t) (x) U-RIx, (14) где R^о первичное (удельное) сопротивление линии. В нормальном режиме выражение (14) справедливо и для реального напряжения линии.

В аварийном режиме, когда I U/R^ox_f,

(x,t) U (1-x/x_f), x > 0, (15) представляет собой линейную функцию, в то время как реальное напряжение

u(x,t) 0, x > x_f

Из выражения (15) видно, что

= U(1-l/x_f) < 0, в то время как u_s U заведомо положительно. Как видим, закономерность (11) строго выполняется в аварийном режиме и не имеет места в нормальном.

Покажем, что способ сохраняет свои свойства и в переходном режиме. Воспользуемся, например, для прогнозирования напряжения уравнениями длинной линии без потерь

u(x,t -_x) R_b i(x,t _x) u_s(t) R_b is(t);

u(x, t) + R_b i(x,t) u_s(t -_x) + R_b is(t -_x), где R_b волновое сопротивление;

_x x/v, v волновая скорость.

Смещая второе уравнение на _x и складывая два уравнения, получим выражение напряжения, прогнозируемого в произвольной точке: 2(x, t-_x) u_s(t)+u_s(t-2_x)-R_b[i_s(t)-i_s(t-2_x)] (16)

Применим данное преобразование к напряжению и току короткозамкнутой линии, включаемой на постоянное напряжение (фиг.3), когда наблюдаемый ток носит ступенчатую форму с единичной первой ступенькой и вдвое большими последующими. Ширина всех ступенек равна 2_f 2x_f/v. Полагая в выражении (16) _{x f}, получим в результате преобразования наблюдаемого процесса, что в точке x x_f прогнозируемое напряжение (x_f, t) 0, как и должно быть согласно выражению (10). Далее получим прогнозируемое напряжение (x_f-x, t) для точки x x_f x, расположенной левее места короткого замыкания. В этом случае _{x f} -, где = x/v, и выражение (16) имеет вид 2(x_f-x, t-_f+) u_s(t)+u_s(t-2_f+2)-R_b[i_s(t)-i_s(t-2_f+2)] (17)

Запаздывание 2 (_f -) меньше ширины ступеньки в кривой тока i_s. Поэтому преобразование (17) на начальной части каждой ступеньки длиной 2 (_f -) дает нулевой результат, а на оставшейся части длиной 2 формирует импульс уровня 2U. Следовательно, прогнозируемое напряжение во всех точках левее места повреждения положительно.

Правее места повреждения получим следующее прогнозируемое напряжение: 2(x_f+x,t-_f-) u_s(t)+u_s(t-2_f-2)-R_b[i_s(t)-i_s(t-2_f-2)]

(18)

Здесь запаздывание 2 (f + ) шире ступеньки тока i_s. В результате импульсы прогнозируемого напряжения формируются в начале второй и каждой последующей ступеньки, а поскольку ток i_s(t) входит в преобразование (18) с отрицательным знаком, то и импульсы имеют отрицательный уровень (-2U). Следовательно, для всех точек правее места повреждения сформировано отрицательное напряжение (x,t), что подтвеpждает общую закономерность (фиг.2).

Изменение полярности входного напряжения u_s ведет к адекватному изменению кривой тока i_s. Из фиг.4 видно, каким образом это обстоятельство сказывается на прогнозируемых напряжениях. После изменения знака входного напряжения проходит время 2_f, прежде чем преобразования (17), (18) отреагируют на изменившиеся условия сменой полярности формируемых импульсов. Эта инерционность равносильна появлению блокирующего промежутка времени длиной 2_f, на котором условие срабатывания (11) не выполняется. Но затем оно восстанавливается, на этот раз уже при иных знаках u_s и .

В нормальном режиме линии постоянного тока условие (11) сложиться не может. Иначе обстоит дело в линии переменного тока (фиг.5). В нормальном установившемся режиме разность фаз между напряжениями в начале и конце зоны не превышает 60^о (по условиям устойчивой работы). Напряжение в промежуточной точке линии (x) занимает промежуточное положение между напряжениями в начале и конце зоны и (фиг.5а). Поэтому мгновенное напряжение u(x,t) переходит через ноль на интервале несовпадения знаков напряжений в начале и конце защищаемой зоны t, не превышающем 1/6 периода основной частоты. Чтобы избежать работы на интервале несовпадения знаков граничных напряжений защищаемой зоны, достаточно выполнить одно из двух условий:

u > (/2)U_ms или > ((/2) где U_ms амплитуда измеренного напряжения;

прогнозируемого напряжения конца зоны, что объясняет общее требование (6).

Иной способ торможения защиты заключается в измерении и сравнении с уставкой времени выполнения условия (11). В нормальном режиме это время равно t продолжительности интервала несовпадения знаков u_s и (фиг.5).

Имеется возможность сократить замедление защиты, вносимое контролем уровня напряжения или продолжительности выполнения условия срабатывания, если принять во внимание тенденцию изменения величин u_s и , при коротком замыкании и в нормальном режиме. При коротком замыкании, когда нулевая точка x x_f неподвижная (фиг.1в), повышение u_s приводит к снижению , что характеризуется правилом (13). В нормальном режиме, когда распределение u(x,t), согласно диаграмме фиг.5в близко к синусоидальному u(x,t), есть проекции множества векторов (x) на равномерно вращающуюся ось. Нулевая точка кривой u(x,t) перемещается вдоль линии слева направо (фиг.5в), следовательно, в таком режиме все точки кривой получают приращения одного знака:

sign u_s= sign , что означает несрабатывание защиты.

Структурная схема по фиг.6 учитывает то обстоятельство, что в трехфазной сети различаются волновые параметры величин нулевой последовательности и безнулевых величин. Преобразователи 7-9 реализуют операцию типа (16), а преобразователь 10 такую же операцию, но при значениях R_bo и _хо, соответствующих нулевой последовательности.

Для срабатывания логического блока 14 необходимо совпадение двух условий: различия знаков напряжений (5) и, как вариант, различия знаков приращений (13), хотя имеются иные варианты, соответствующие алгоритмам (6), (12) либо измерению времени t.

В нормальном режиме линии электропередачи постоянного тока не сложатся условия срабатывания блока 21 сравнения знаков, в связи с чем защита в целом не сработает. В нормальном режиме линии электропередачи переменного тока блок 21 может сработать на короткое время, но при этом не складываются условия срабатывания блока 22 торможения, и защита также не срабатывает.

При однофазном коротком замыкании в фазе А (К_А⁽¹⁾) складываются условия срабатывания как для блока 21, так и для блока 22. В результате срабатывает элемент И 23, который формирует сигнал о замыкании К_А⁽¹⁾. При двухфазном замыкании на землю фаз А и В (К_АВ^(1,1)) срабатывают два логических блока 14 и 15, вызывая тем самым срабатывание элемент И 17. При двухфазном замыкании фаз А и В (К_АB⁽²⁾) срабатывает логический блок 27. Наконец, при трехфазном замыкании (К⁽³⁾) срабатывает элемент И 30, а возможно и элемент И 20.

Способ применим и для определения поврежденного фидера в сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю. Но в отличие от волнового преобразования (16) в данном случае придется воспользоваться активно-индуктивной моделью воздушной линии или активно-емкостной моделью кабеля. Последовательность выполнения операции и сам их характер остаются неизменными.

Таким образом, предложенный способ дистанционной защиты применим в равной степени к объектам с сосредоточенными параметрами, постоянного и переменного тока, с заземленной и изолированной нейтралью, а время его действия не имеет принципиальных ограничений.