Способ и устройство для определения направления на место замыкания

Способ и устройство для определения направления на место замыкания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к определению направления на место замыкания в трехфазной электрической сети.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Надежное указание направления на место замыкания, т.е. находится ли место замыкания в прямом или обратном направлении от точки измерения, может быть критическим в системе защиты силовых сетей, в которых ток может течь в обоих направлениях через точку измерения. Точная информация о направлении важна для избирательной работы системы защиты таким образом, чтобы только, например, аварийный фидер или фидерная секция были корректно изолированы.

Известны несколько способов определения направления на место замыкания в системе защиты. Типичное выполнение элемента определения направления таково, что первые измеренные ток(и) и напряжение(я) оцифровывают и затем преобразуют в комплексные фазоры с амплитудой и фазовым углом (полярный формат) или эквивалентно с действительными и мнимыми частями (Декартовый формат). Определение направления может быть основано, например, на следующих любых электрических фазорных величинах (обычно вычисленных на основной частоте):

- Импеданс Z ¯ = R + j * X

- Полная проводимость Y ¯ = G + j * B

- Мощность S ¯ = P + j * Q

- Ток I ¯ = I cos ( p h i ) + j * sin ( p h i )

Где Z ¯ =Импеданс, R=Активное сопротивление, Х=Реактивное сопротивление, Y ¯ =Полная проводимость, G=Проводимость, В=Индуктивная реактивная проводимость, S ¯ =Явная мощность, Р= Действительная мощность, Q=Реактивная мощность, I ¯ =Ток, lcos(φ)=Действительная часть тока, lsin(φ)=Мнимая часть тока, φ=Разностный фазовый угол между напряжением и током или эталонным током и током.

В защите, основанной на импедансе и токе, направленность может быть извлечена из напряжений и токов, по существу, посредством определения частного U ¯ / I ¯ , т.е. фазового угла между фазорами напряжения и тока. Примеры подобной функции защиты включают в себя защиту от направленной токовой перегрузки и дистанционную защиту. Дистанционно извлеченное значение из вычисления полной проводимости I ¯ / U ¯ может быть применено к защите нейтральной полной проводимости, которая применяется при защите замыкания на землю в заземленных высокоомных системах. Вместо вычисления полной проводимости можно использовать вычисление мощности I ¯ * U ¯ в качестве функции защиты при измерениях Ваттов и других величин.

Фазор напряжения U ¯ и фазор тока I ¯ могут представлять собой либо фазовые величины (ток в фазе, напряжение фаза-земля, напряжение фаза-фаза, обычно применяемые при защите от короткого замыкания), либо симметричные компоненты (компонент положительной последовательности, отрицательной последовательности или нулевой последовательности, обычно применяемый при защите от короткого замыкания на землю).

Характеристики операции по определению направления на место короткого замыкания обычно представляют на комплексной плоскости с действительной (Re) и мнимой (lm) осями. На Фиг.1 приведен пример характеристики операции по определению направления с двумя граничными линиями, определяющими рабочий сектор. В этом примере первая граничная линия проходит под углом альфа (α), а вторая граничная линия проходит под углом бета (β). Оба угла имеют одинаковое содержание: положительная действительная ось. Величина, определяющая направление (например, импеданс, полная проводимость, мощность или ток), представлена на графике в виде фазора с действительной и мнимой составляющими, либо эквивалентно с магнитудой и фазовым углом, указывающим конкретное направление от начала координат (0, 0). Указанный фазор сравнивают с рабочим сектором, образованным граничными линиями (обычно двумя, но, по крайней мере, одной). Если фазор D I R P ¯ расположен внутри рабочего сектора, то направление совпадает с предопределенным/заданным рабочим направлением (вперед или назад). Подобная оценка направления может быть выполнена путем сравнения величины направленного фазора D I R P ¯ с граничными линиями рабочего сектора в дискретные моменты времени t₁, t₂, и т.д. и, таким образом, определяетя направление на место замыкания.

В электрических системах проблемой, связанной с таким определением направления, является возможная нестабильность характеристики величины направленного фазора (например, импеданс, полная проводимость, мощность или ток) в течение действия замыкания. Указанная нестабильность проистекает в первую очередь из того факта, что допущение о постоянстве частоты и амплитуды при вычислении фазора часто недействительны на практике для реальных энергосистем. На практике в течение замыкания амплитуды и частоты напряжения и тока не постоянны и могут изменяться. Особенно амплитуда измеренного сигнала может столкнуться со скачкообразными высокоамплитудными возмущениями в форме выбросов. Также нелинейные характеристики основной сети и устройств, например, нелинейные компоненты сети, такие как насыщаемые дроссели или насыщаемые приборные трансформаторы, либо нелинейные характеристики нагрузок, могут вызвать неустойчивые уровни гармоник в измеренных электрических величинах, которые являются источниками ошибки при пользовании известными вычислениями фазора. Кроме того, дуга замыкания имеет присущую ей нестабильность и нелинейные характеристики, которые могут привести к непостоянству величины направленного фазора.

Результатом указанного непостоянства является то, что вывод о направлении может быть часто ненадежным, что в свою очередь может привести к потере надежности или безопасности защиты: например, аварийный фидер может быть не определен, а исправные фидеры могут быть ложно наблюдаемы как аварийные и поэтому ложно обозначены. В качестве такого примера приведем повторное короткое замыкание на землю в заземленной сети с катушкой Петерсена, где токи и напряжения могут быть в высшей степени нерегулярны и иметь искаженную форму. Поэтому величина значения направленного фазора, используемая в защите от замыкания для определения направления на него, может иметь весьма хаотичное поведение во времени, т.е. величины значения направленного фазора, определенные в разные моменты времени, могут существенно отличаться. Это часто приводит к потере селективности в системе защиты электрических сетей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для осуществления способа для преодоления вышеописанной проблемы или, по крайней мере, ослабления ее влияния. Цели изобретения достигаются посредством способа, компьютерного программного продукта и устройства, которые описаны в независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения данного изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее использования суммы кумулятивного фазора, по крайней мере, двух значений, полученных в разные моменты времени, значения электрического фазора в точке измерения в качестве значения для величины направленного фазора. Также данное изобретение основано на идее использования частного двух сумм кумулятивного фазора в качестве значения для величины направленного фазора, причем первая сумма кумулятивного фазора является суммой, по крайней мере, двух значений, определенных в разные моменты времени, первого значения электрического фазора в точке измерения и вторая сумма кумулятивного фазора является суммой, по крайней мере, двух значений, определенных в разные моменты времени, второго значения электрического фазора в точке измерения.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что оно приводит к существенной стабилизации значений, используемых в системе защиты при определении направления, и может обеспечить значительное улучшение в безопасности и надежности определения направления на место замыкания в электрической цепи. Также процесс определения направления для защиты становится более простым и точным, т.к. результаты измерений отражают истинные параметры сети, несмотря на указанные возмущения значений электрического фазора. Операция защиты может быть осуществлена более стабильно и точно даже при наличии сильно возмущенных входных сигналов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на приложенные чертежи, где:

Фиг.1 - пример рабочей характеристики, согласно варианту воплощения изобретения;

Фиг.2 - пример электрической сети;

Фиг.3а-3с - графики вычисления суммы кумулятивного фазора, согласно варианту воплощения изобретения;

Фиг.3 с1-3f - примеры направленных рабочих характеристик, согласно варианту воплощения изобретения;

Фиг.4 - пример вычисления частного двух сумм кумулятивного фазора, согласно варианту воплощения изобретения;

Фиг.5 - пример рабочей характеристики, согласно варианту воплощения изобретения;

Фиг.6 - пример рабочей характеристики, согласно варианту воплощения изобретения; и

Фиг.7 - пример рабочей характеристики, согласно варианту воплощения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящая заявка на изобретение не ограничивается какой-либо конкретной системой, а может быть использована в различных трехфазных электрических системах для определения направления на замыкание, такое как короткое замыкание на землю или короткое замыкание фазы.

Система электроснабжения, в которой используется данное изобретение, может представлять собой сеть электропередачи или распределения или их часть, например может содержать несколько фидеров или секций. Более того, использование данного изобретения не ограничивается системами, в которых используются основные частоты 50 Гц или 60 Гц либо какой-либо конкретный уровень напряжения.

Фиг.2 - это упрощенная диаграмма, которая представляет собой пример электрической сети, в которой используется настоящее изобретение. С целью упрощения цифрами обозначены только те детали, которые необходимы для понимания сути изобретения. Указанная сеть может быть, например, средневольтной (например, 20 кВ) распределительной сетью. На Фиг.2 показан блок R защитного реле 10, размещенного в электрической линии 20. Необходимо отметить, что возможно любое количество блоков реле, электрических линий и других элементов электрической сети. Сеть является трехфазной сетью, хотя для ясности на чертеже все фазы не показаны. На примерной сети по Фиг.2 работоспособность данного изобретения может быть определена в блоке (R) реле 10. Также возможно, что, например, только некоторые измерения осуществляются в месте расположения блока реле 10, а их результаты затем передаются на какой-либо другой или другие блоки (не показаны на Фиг.2), расположенные где-либо еще, для дальнейшей обработки. Другими словами, блок реле 10 может представлять собой просто измерительный блок, в то время как работоспособность данного изобретения или его части может обеспечиваться каким-либо другим блоком или блоками. Замыкание, такое как короткое замыкание на землю или короткое замыкание фазы, случившееся в электрической сети, может быть обнаружено, например, посредством защитного реле 10 или другим защитным оборудованием, связанным с электрической сетью. В случае короткого замыкания обнаружение замыкания может быть основано, например, на условии сверхтока или недоимпеданса в случае короткого замыкания на землю, и обнаружение замыкания может быть основано, например, на условии остаточного сверхнапряжения и остаточного сверхтока. Могут использоваться также и другие средства для обнаружения короткого замыкания. Обычно затем указанное короткое замыкание облегчает определение направления при решении, находится ли оно в прямом или обратном направлении. На Фиг.2а показана ситуация, при которой реле 10 настроено срабатывать при определении замыкания в прямом направлении (F_fwd). Замыкания в обратном направлении (F_rev) не участвуют в этом действии, но могут принимать сигнал, например, блокировки. На Фиг.2b показана ситуация, при которой реле 10 настроено срабатывать при определении замыкания в обратном направлении (F_rev). Замыкания в прямом направлении (F_fwd) в этом случае не приводят к его срабатыванию. На практике может произойти много одновременных случаев срабатывания направленной защиты, некоторые из которых приводят к сбоям, а некоторые к блокировке.

Значения тока и напряжения, которые возможно потребуются в различных вариантах воплощения, могут быть получены подходящими измерительными устройствами включая, например, преобразователи тока и напряжения (не показаны отдельно на чертежах). В большинстве существующих систем защиты указанные значения легко доступны и поэтому создание различных вариантов воплощения не обязательно требует дополнительных измерительных приборов.

В соответствии с данным вариантом воплощения после обнаружения замыкания в электрической сети значение величины фазора направления определяют в точке 10 измерения в трехфазной электрической сети, и определенное значение величины фазора направления сравнивают с направленной рабочей характеристикой для определения направления на место замыкания F от точки 10 измерения.

В соответствии с данным вариантом воплощения, после обнаружения замыкания в электрической сети значение величины фазора направления содержит формирование кумулятивной суммы фазора, состоящей из, по крайней мере, двух значений, определенных в разные моменты времени величины фазора направления в точке 10 измерения; затем вводят сумму кумулятивного фазора в качестве значения величины фазора направления . D I R P ¯ = c u m s u m D I R ¯ Указанная сумма предпочтительно образуется отдельно для действительной и/или мнимой частей. Другими словами, кумулятивная сумма фазора, состоящая из двух или более значений, электрической величины в точке 10 измерения, определенных в разные моменты времени и предпочтительно вычисленная отдельно для действительной и/или мнимой частей, может быть использована в качестве величины фазора направления D I R P ¯ . Указанные два или более значений электрической величины, определенные в разные моменты времени, могут определяться на постоянных или нерегулярных временных интервалах.

На Фиг.3а показан пример кумулятивной суммы фазора c u m s u m D I R ¯ , которая представляет собой сумму величин кумулятивного фазора электрической величины фазора в моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄ и t₅. Электрическая величина фазора может быть, например, одной из следующих понятий: импеданс, полная проводимость, мощность или ток. Кроме того, для извлечения электрической величины фазора можно использовать величины фаз (ток в фазе, напряжение фаза-земля, напряжение фаза-фаза) либо симметричные составляющие (составляющие положительной последовательности, отрицательной последовательности или нулевой последовательности). Также можно использовать другие электрические величины. На Фиг.3b и 3c показано аккумулирование мнимой части и действительной части суммы кумулятивного фазора как функции времени. Сумма кумулятивного фазора или его действительная часть и/или его мнимая часть могут быть использованы для принятия решения о направлении, согласно варианту воплощения настоящего изобретения. На Фиг.3d показан пример направленной рабочей характеристики, в которой две граничные линии определяют границу между рабочим направлением и нерабочим направлением. Обычно сектору, соответствующему рабочему направлению, присваивается прямое направление, а нерабочему направлению присваивается обратное направление. На Фиг.3d также показан пример величины направленного фазора, которая соответствует сумме кумулятивного фазора по Фиг.3а, т.е. D I R P ¯ = c u m s u m D I R ¯ . В случае, когда решение о направлении основано либо на действительной части либо на мнимой части суммы кумулятивного фазора, то направленная характеристика представляет собой либо вертикальную линию, либо горизонтальную линию на комплексной плоскости, как показано на Фиг.3е (приемлемо для кумулятивной суммы мнимой части величины фазора направления) и 3f (приемлемо для кумулятивной суммы действительной части величины фазора направления).

В соответствии с данным вариантом воплощения следующие действия могут быть осуществлены на постоянных или нерегулярных временных интервалах: обновление кумулятивной суммы фазора c u m s u m D I R ¯ (предпочтительно раздельно для действительной и/или мнимой частей) посредством добавления к сумме нового значения электрической величины направленного фазора, задания обновленной кумулятивной суммы фазора в качестве значения величины направленного фазора и сравнение значения величины направленного фазора с направленной рабочей характеристикой для определения направления на место замыкания от точки измерения. Предпосылкой для добавления нового значения может быть то, что его магнитуда превосходит минимальное пороговое значение, поэтому полученное направление может считаться верным. Другими словами, кумулятивная сумма фазора, составляющая значение величину направленного фазора, может быть обновлена на постоянных интервалах или нерегулярных интервалах посредством добавления нового значения электрической величины к кумулятивной сумме фазора, а соответствующее новое значение величины направленного фазора затем можно использовать для определения направления на место замыкания от точки измерения. Ранее описанный процесс накопления может выполняться раздельно для действительной и/или мнимой частей электрической величины фазора.

В соответствии с данным вариантом воплощения кумулятивная сумма фазора c u m s u m D I R ¯ может быть получена из следующего уравнения:

c u m s u m D I R ¯ ( k ) = Re ( c u m s u m D I R ¯ ( k ) ) + j * Im ( c u m s u m D I R ¯ ( k ) ) = ∑ i = m k D I R ¯ ( i ) = ∑ i = m k ( Re D I R ¯ ( i ) + j * Im D I R ¯ ( i ) ) )     У р а в н е н и е   1

где D I R ¯ является электрической величиной, определяющей направление формата фазора в дискретный момент времени, m - это номер стартового индекса, соответствующего дискретному моменту времени t₁,

k - это номер индекса, соответствующего дискретному моменту времени t_k, следующему за моментом времени t₁,

Согласно одному варианту воплощения, значение электрической величины фазора D I R ¯ (например, импеданс, полная проводимость, мощность или ток, как описано выше) обычно основано на компоненте основной частоты электрической величины, но также может содержать сумму компоненты основной частоты электрической величины и, по крайней мере, одну компоненту частотной гармоники электрической величины. Предложенная электрическая величина фазора может быть вычислена:

D I R ¯ = D I R ¯ 1 + ∑ 2 p D I R ¯ n Уравнение 2

где D I R ¯ 1 - это электрическая величина фазора, вычисленная для основной частоты в дискретный момент времени,

D I R ¯ n - это электрическая величина фазора, вычисленная для частотной гармоники n*f_n в дискретный момент времени предпочтительно так, чтобы амплитуда тока и/или напряжения гармоники превышала минимальный пороговый уровень измерения. Гармоники от 2 до р могут учитываться, где р соответствует гармонике высшего порядка, основанной на, например, используемой частоте дискретизации в соответствии с теоремой Найквиста.

Согласно второму варианту воплощения, определение значения электрической величины направленного фазора включает формирование первой кумулятивной суммы фазора, по крайней мере, двух значений,' определенных в разные моменты времени первой электрической величины в точке измерения, формирование второй кумулятивной суммы фазора в точке измерения и назначение частного первой кумулятивной суммы фазора и второй кумулятивной суммы фазора в качестве значения величины фазора направления. Другими словами, частное двух кумулятивных сумм фазора значений двух разных электрических величин в точке измерения 10 могут быть использованы в качестве величины фазора направления. Каждая из указанных двух кумулятивных сумм может быть сформирована аналогичным образом, как описано выше. Нижеследующее уравнение 3 показывает, как стабилизированная величина направленного фазора D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d может быть вычислена на основе двух кумулятивных сумм (первая сумма c u m s u m 1 ¯ ( k ) И вторая сумма c u m s u m 2 ¯ ( k ) :

D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d = c u m s u m 1 ¯ ( k ) = Re D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d ) + j * Im ( D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d )

Уравнение 3

Действительная и мнимая части стабилизированной величины направленного фазора D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d могут быть получены с использованием хорошо известных правил деления двух комплексных величин:

Re ( D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d ) = Re ( c u m s u m 1 ¯ ( k ) ) * Re ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 1 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) Re ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Re ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) )

Im ( D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d ) = Im ( c u m s u m 1 ¯ ( k ) ) * Re ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Re ( c u m s u m 1 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) Re ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Re ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) ) * Im ( c u m s u m 2 ¯ ( k ) )

Две электрические величины, из которых вычисляются две кумулятивные суммы фазора, могут представлять собой, например, величину напряжения и величину тока, при этом суммы соответственно равны c u m u m U ¯ ( k ) и c u m u m I ¯ ( k ) . Таким образом, частное кумулятивных сумм фазора двух электрических величин может быть выражено через стабилизированные величины импеданса или полной проводимости:

Z ¯ ( k ) s t a b i l i z e b c u m u m U ¯ ( k ) / c u m u m I ¯ ( k ) Уравнение 4а

Y ¯ ( k ) s t a b i l i z e b c u m u m I ¯ ( k ) / c u m u m U ¯ ( k ) Уравнение 4b

Такая величина, как D I R P ¯ ( k ) s t a b i l i z e d , стабилизируется по амплитуде и направлению(эквивалентно для действительной и мнимой частей). Это означает, что посредством деления величин двух кумулятивных сумм фазора в качестве результата получаем некумулятивную стабилизированную величину фазора. Это иллюстрируется на Фиг.4. Указанная величина, предпочтительно полная проводимость или импеданс (или их действительная и/или мнимая части), может затем использоваться в защите электрических систем аналогично тому, как такие же фазорные величины используются без стабилизации. Величину фазора напряжения или фазора тока могут представлять собой либо фазовую величину (ток фазы, напряжение фаза-на-землю, напряжение фаза-фаза), либо симметричный компонент (компонента положительной последовательности, отрицательной последовательности, или нулевой последовательности). Также можно использовать другие фазорные величины. Согласно одному варианту воплощения значения двух электрических величин фазора (например, напряжения или тока) обычно основаны на компоненте основной частоты рассматриваемого электрического значения, но они также могут состоять из суммы компоненты основной частоты рассматриваемого электрического значения и, по крайней мере, компоненты частоты одной гармоники рассматриваемого электрического значения как уже описано выше в связи с первым вариантом воплощения.

В соответствии с вариантом воплощения на постоянных или нерегулярных временных интервалах может быть осуществлено следующее: обновление первой кумулятивной суммы фазора и второй кумулятивной суммы фазора посредством прибавления нового значения первой кумулятивной суммы фазора к первой кумулятивной сумме фазора и прибавления второй электрической величины фазора ко второй кумулятивной сумме фазора, тем самым устанавливая частное обновленной первой кумулятивной суммы фазора и обновленной второй кумулятивной сумме фазора в качестве рабочей характеристики направления для определения направления на замыкание от точки измерения. Другими словами, две кумулятивные суммы фазора, частные которых определяют значение величины фазора направления, могут обновляться на заранее определенных интервалах посредством добавления нового значения электрической величины фазора направления к кумулятивным суммам фазора, причем соответствующее новое значение величины фазора направления может затем использоваться для определения направления на замыкание от точки измерения.

В соответствии с другим вариантом воплощения значение величины фазора направления, согласно второму варианту воплощения, если это величина полной проводимости, может быть далее преобразована в значение тока посредством применения сопряженного комплексного значения и его умножения на номинальное напряжение фазы-на-землю системы Un:

I ¯ ( k ) s t a b i l i z e d = c o n ( Y ¯ ( k ) s t a b i l i z e d )