Способ многофункциональной централизованной защиты электрических систем от коротких замыканий

(51)4 Н 02 Н ОПИСАНИ ЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Михайл 01.24:621.316. ная защитаМ.: Энергия ческ .17,элект 1976,КоАЛЬНОЙ ЦЕ РИЧЕСКИХ ИЙ МНО ГО ФУНКЦИОИ ЗАЩИТЫ ЭЛЕРОТКИХ ЗАМЫКАН одних идля форм Кцгаам аале ррадлан. и дами айа 8 юсючам ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Федосеев А,М, Ре их систем.411, 466, 525, 518,В.И. Электронная комрмационных каналоввского университета,(57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам защиты сложных объектов ответственных электрических систем, в частности автономных, характеризующихся частыми изменениями конфигурации и режимов, например распределительных сетей. Цель изобретения - повьппение надежности защиты за счет сокращения общего количества функциональных узлов путем перехода от пространственного распределения А отдельных структур устройств, входящих в систему защиты, к распределению этих А структур во времени и использовачия благодаря этомутех же функциональных узловирования различных структур15МЬ 7 1 стру 8 Уй 3 нпюиенс 10 и иг Х стрднпура (Ю ТЗ)к 8 гп ЮРС д У/ГС 8 няючен 0 10 ндючей апрунпура (ИТ 3 и Уста Фо УЮ кпюч 8Х ключей Ощ И 1От ПЗ 1 тИГ Ом Ю 73 Устатка пт И 8 Ф 5 С ю151356/ О 7 ЗН В 9 И 3 ЮБ/7 ВИд ОЕ от кпючено 1 В ключе Ю УО 41 ЯЧЮБР/РИ 201 ку 2 Г структура (М тЗ/)Устадка ощ ИОС оУКС Вкпючено 1 д ключейФиг,7 структура (И ТЗИ)аРка от ИЮ 2 структура ОстаВна от ФИ УКС Включено 1 В нпючейФиг. гг г1 У С ( рог 7 г агтьтгнтоиа.едактор С.Пекарь Техред М,Дидык Самборская рект издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гаг роизводст Заказ 6094/54 Тираж 608ВНИИПИ Госчдарственного комитета113035, Москва,Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС35, Раушская наб., д, 4/51513567защиты, т,е. путем использования временной декомпозиции системы защиты.1Устройство, реализующее способ, содержит датчики 1 параметров защищае 5 мого объекта, многоканальный управляемый источник 2 опорных сигналов, набор Зцр 11 "црп,,Зрд "н функциональных узлов Л, универсаль 4ную коммутирующую структуру 4, состоящую из системы горизонтальных 5 и вертикальных 6 шин, на пересечении которых установлены элементарные настраиваемые ключи 7, устройство управления 8, постоянное запоминающее устройство 9 и информационные линии 10. 17 ил.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты от коротких замыканийразличных видов в электрических системах постоянного и переменного тока, например для защиты распределительных сетей автономных энергосистем.Целью изобретения является повышение надежности электрических сис-тем от коротких замыканий путем со кращения общего количества функцио - нальных узлов.На фиг. в качестве примера приведена структурная схема устройства многофункциональной централизованной 30 релейной защиты, реализованной по предлагаемому способу; на фиг,2-17 временные диаграммы и схемы, поясняющие способМногофункциональная централизованная релейная защита, в дальнейшем для краткости именуемая МЦРЗ, содержит (фиг.1) датчики 1 параметров защищаемой электрической системы (О 1 ,В,), многоканальный управляемый 40 источник 2 опорных сигналовИОС),наборБцр, п, Барп;, Бард пфункциональных узлов 3 (ФУ, ФУ, . ,ФУ,), универсальную коммутирующую структуру 4 (УКС), состоящую 45 из системы горизонтальных 5 и вертикальных 6 шин, на пересечении которых установлены элементарные настраиваемые ключи 7 (на фиг.1 точкой показан один ключ), имеющие два состояния на стройки: Включен" или нВыключен" (например, триггерный контакт). Кроме того, МЦРЗ содержит устройство управления (УУ) 8 и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 9 (как вари ант - перепрограммируемое), Выход реагирующего органа, например ФУ;, на фиг.1 соединен информационной линией 10 с входом УУ 8. Датчики 1 параметров, например электрического тока, напряжения и др, как и при известных способах защиты, устанавливаются в заданных точках защищаемой электрической системы и подключены к части горизонтальных шин 5, К другой части горизонтальных шин 5 подключены выходы ИОС 2. В случае, если функциональные узлы (ФУ) 3 выполнены в виде аналоговых устройств, то в качестве ИОС 2, используемого для формирования уставок, могут быть применены цифроаналоговые преобразователи. Если же функциональные узлы, для которых необходимо задавать уставки срабатывания, являются цифровыми устройствами, то ИОС представляет собой демультиплексор, Кроме того, к горизонтальным шинам 5 подключены цепи дистанционного управления приводами коммутационных аппаратов защищаемых зон электрической системы. Оставшаяся часть горизонтальных шин 5 остается незанятой: они используются как рабочие коммуникации при коммутации функциональных узлов.ФК части системы вертикальных шин 6 УКС подключены выходы и входы ФУ,. ,ФУ, . Остальные вертикальные шины также остаются незанятыми и используются для обеспечения рациональных связей при формировании коммутационного графа. Управляющий вход ИОС 2 соединен с частью выходов УУ 8, другая часть выходов которого подключена к входам элементарных настраиваемых ключей 7 УКС 4. Вход УУ 8 соединен с выходом ПЗУ 9.Входные сигналы ИОС поступают с выходов УУ в виде кодов уставок, Набор ФУ 3 представляет собой совокупность функционально законченных устройств необходимых для реализации любой иэ входящих в ансамбль А структуры защиты, обеспечивающей выявле67 6в ПЗУ 9 правилам перекоммутации. Соединение выходов одних ФУ с входами других ФУ осуществляется посредством незанятых датчиками параметров и ИОС горизонтальных шин, На фиг.1 в качестве примера линией выделена связь, организованная между выходом ФУ и входом ФУ; . Видно, что включением ключей 11 и 12 возбуждается свободная горизонтальная шина, соединяющая через контакты этих ключей ФУ и ФУ Образованная таким образом коммутационная структура позволяет программным путем создавать любые необходимые связи для обмена информацией между всеми датчиками параметров и функциональными узлами системы защиты в соответствии с заданными правилами коммутации, заложенными в ПЗУ.МЦРЗ функционирует следующим об 15135 циональных узлов приводит к существенному упрощению многофункциональной централизованной защиты, а зна чит, к повышению ее надежности.УКС 4 реализует коммутацию по принципу полного графа 12). Такая УКС является полнодоступной и позводяет образовывать любые соединения между системами горизонтальных 5 и вертикальных 6 шин. Следует подчеркнуть высокую надежность УКС, так как обычно она реализуется в виде интегральной микросхемы, как и УУ, ПЗУ 50 ИОС, В связи с этим производимая в предлагаемом способе фактическая замена этими элементами множества функциональных узлов приводит к существенному выигрьппу в надежности всей системы защиты в целом,УУ 8 может быть реализовано на базе микропроцессора, осуществляющего настройку ключей 7 УКС по заложенным ние одного или нескольких из всех возможных видов короткого замыкания, и содержит, например, реагирующие органы, органы выдержки времени, выходные органы и др. Следует подчеркнуть, что количество одинаковых (- го типа, д=1И) функциональных узлов, входящих в набор, определяется некоторой, например-й, структу рой защиты, входящей в ансамбль Ц = 1А) и содержащей наибольшее число, т,е. ЯирАп; функциональных узлов такого типа, Например, в случае, когда в ансамбль входит семь структур защиты (А=7), причем две из них содержат по четыре выходных органа, одна - девять выходных органов, а остальные - по одному выходному органу, в набор функциональных узлов не обходимо ввести девять выходных органов. Хотя для некоторых структур защиты, входящих в ансамбль, такое количество выходных органов избыточно, это тем не менее существенно меньше, 25 чем при известных способах защиты, для которых в устройстве защиты необходимо было бы предусмотреть 24 + + 19 + 4 к 1 = 21 выходной орган,Таким образом, предлагаемое тех ническое решение предполагает рациональное использование минимального набора функциональных узлов благодаря их периодической перекоммутации для организации множества из А струк 35 тур защиты, Достигаемая таким образом экономия в общем количестве функразом.УУ, получив из ПЗУ задание, реализует коммутационный граф, настраивая ключи УКС. Одновременно с этим УУ настраивает ИОС таким образом,чтобы на выходах последнего была представлена необходимая совокупность опорных напряжений (уставок по величине и времени). После выполнения всех необходимых соединений внутри УКС будет реализована структура 1 первой из входящих в ансамбль защит. Через заданный промежуток времени(его величина определяется за 1ранее при проектировании защиты исходя из необходимого времени анализа состояния контролируемых зон по алгоритму реализованной структуры защиты). в случае, если режим работы защищаемых зон нормальный, то по правилам, хранящимся в ПЗУ, устройство управления перекоммутирует с помощью УКС соответствующие функциональные узлы, датчики и ИОС (перестраивает установки) и реализует очередную структуру 11 защиты, и так далее до тех пор, пока произойдет возврат к структуре 1, На этом первый цикл работы МЦРЗ заканчивается. В этом цикле будет реализован весь набор структур защит, входящих в ансамбль и, следовательно, произведен контроль защищаемых зон по каждому из возможных видов короткого замыкания. После этого начинается второй цикл работы МЦРЗ, совершенно аналогичный первому, и т.д.15135 б 7 25 Если в процессе работы при реализации некоторой 1-й структуры будет выявлено короткое замыкание в предедах защищаемых зон, УУ по информационной линии 10, соединяющей его вход с выходом реагирующего органа, например ФУ, (фиг,1), получает об этом информацию (ФУ; находится в сработанном состоянии) и приостанавливает дальнейшую перекоммутацию МЦРЗ. "Законсервированная структура МЦРЗ спустя время принятия решения отключает выявленное короткое замыкание соответствующего вида. 15Важным условием эффективной работоспособности МЦРЗ, реализованной по предлагаемому способу, является обеспечение малой величины периода повторения одной и той же структуры в 20 ансамбле (продолжительность одного цикла работ МЦРЗ). Этот период Т должен быть существенно меньше (на порядок) суммарного времени анализасостояния контролируемых зон (1 А) и принятия решения об их отключении (1, ) самой быстродействующей структурой защиты в ансамбле. Составляющая Спредставляет собой отрезок времени, достаточный для срабатыва ния реагирующего органа защиты при возникновении короткого замыкания в пределах защищаемой зоны (зон). Составляющаяявляется принудительной вьдержкой времени, реализуемой обычно с помощью органа вьдержки времени и вводимой для отстройки от помех, способных привести к ложному срабатыванию реагирующего органа в нормальном режиме. Если же информа О ция о срабатывании реагирующего органа непрерывно формируется в течение времени, заведомо большем максимально возможной в данных условиях длительности помехи, это свидетель ствует о возникновении короткого замыкания в пределах защищаемой зоны (зон). Сказанное поясняется фиг,2-4, на которых изображены соответствующие временные диаграммы, При этом рассмотрены простейшие случаи, когда в ансамбль входят три (А=З) структуры защиты - 1, 11, 111, с временами их существования в цикле соответственно г и "тп55На фиг.2 показан случай возникновения в момент времени С короткого замыкания (к.з.) вида, выявляемого структурой 11 защиты, причем момент пришелся как раз на интервал перекоммутации УКС в и-м цикле от структуры 1 к структуре 11. Так как формируемая при этом струтура 11 и предназначена для выявления возникше- ГО Вида к,зто задержка С в Вы явлении повреждения практически отсутствует. Сформированная после момента 1, структура 11 "замораживается" на время 1 и срабатывания этой защиты, которое складывается из двух составляющих -и р, В течение времени ,р , дальнейшйе перекоммутации структур не производятся и только по истечении этого интервала времени УКС перекоммутируется на очередную структуру, каковой в данном примере является структура 111, Далее в следующем (с 1+1)-м цикле Формируются структуры 1, 11, 111 и т,д,На Фиг,З показан наихудший случай: возникновение короткого замыкания вида, выявляемого также структурой 11, но в момент времени С , соответствующий интервалу 1 С перекоммутации УКС в К-м цикле от структуры 11 к структуре 111 Поскольку структура 111 защиты не предназначена для выявления возникшего вида к.з., то до начала его выявления пройдет какое-то время задержки, равное в данном случае сумме временс , 2 йй и времени между моментоми началом формирования структуры 111. Спустя времяпосле формирования структуры 11 начинается выявление возникшего к.з, При этом структура 11 "замораживается" на время С =С+ ., т.е. посрка не будет дана команда на отключение поврежденной зоны, а далее возобновляется перекоммутация очередных структур. На Фиг.З видно, что в общем случае будет иметь место задержка всрабатывании защиты й , максимальное значение которой может достигать величины Т - С, где 1 - номерструктуры, выявляющей возникшее к.з,соответствующего вида. С ростом числа структур в ансамбле увеличивается величина Т, причем в этом случаеТс . Поэтому можно считать, что ("ад )макс йТ. Для сокращения долив общем времени от момента возъодникновения до выявления и отключенияк.з. необходимо выполнение условия ,АТ (с 1 ср (в пРимеРе, Рассмот 1513567 10ренном на фиг.3, 1=11). Другими словами, период повторения одной и той же структуры должен быть много меньшим суммарного времени анализа состояния контролируемых зон и принятия решения об их отключении самой быстродействующей в ансамбле структурой защиты Поскольку на фиг.2 и 3 затруднительно выдержать истинный масштаб времени при выполнении последнего условия, то для его иллюстрации на фиг.Й показано примерное соотношение времен Т и , , в одном масштабе. Если при реализации релейной защиты по предлагаемому способу не удается обеспечить условие ТС, с помощью одного устройства МЦРЗ иэ-за большого числа структур в ансамбле, целесообразно разделить ансамбль на два, а при необходимости и более подансамблей, реализуя при этом несколько МЦРЗ. Однако современный уровень развития релейной защиты позволяет реализовывать структуры, которые за очень ко - роткие отрезки времени Сд= 100 - 200 мкс в состоянии проанализировать состояние контролируемых зон, Электронные коммутирующие устройства (УКС) обладают быстродействием порядка бг.=100 в 2 нс 1 2, Таким образом, при заданном времени принятия решения (представляющем собой фактически выдержку времени, в течение которой не нарушается выполнение условий по соответствующему алгоритму анализа состояния контролируемых зон), например, равным 50 мс, технически возможно реализовать за время Т = 5 мс (Т (сд + С) доТ-- 25-50 структур МЦРЗ в одд+ "ном ансамбле, что достаточно для защиты сложных и ответственных электрических систем.На фиг.5 и 6 - 13 приведены примеры реализации многофункциональной централизованной релейной защиты понижающего трехфазного трансформатора подстанции соответственно по известному и предлагаемому способам. При этом за основу взята изображенная на фиг.5 схема защиты 1. На фиг.5-13 введены следующие обозначения: В 1, В 2 - выключатели соответственно на высокой и низкой сторонах напряжения; ДТ 1, ДТ 2 - датчики тока в трехфазном исполнении с каналами А,В,С измере 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ния токов в соответствующих фазах;ДТЗ - датчик тока в двухфазном исполнении с каналами А, С измерения токов в соответствующих фазах; ДН 1датчик напряжения в трехфазном исполнении с каналами А, В, С измерения напряжений в соответствующих фазах;, " - сумматоры; РО,. - РОреагирующие органы; РГ - реле газовое; ВО , ВО, - выходные органы;ОВВ 1, ОВВ 2 - органы выдержки времени; ИОС - источник опорных сигналовдля задания уставок по току, напряжению, времени (на фиг.5 выделено вобщий блок условно, предполагая ИОСкак совокупность опорных цепей, разнесенных по соответствующим входамРО, ОВВ) . МЦРЗ понижающего трансформатора содержит четыре типа автономных защит: дифференциально-токовую(ДТЗ), газовую защИту (ГЗ), максимально-токовую защиту комбинированную (МТЗК 1 и максимально-токовую защиту от перегрузки (МТЗП), Как видноиз фиг.5,традиционная реализация МЦРЗв соответствии с известным способомпредусматривает использование 19 функциональных узлов,На фиг 6 показана реализация защиты с теми же функциями, но выполпенная в соответствии с предлагаемымспособом с использованием коммутацииотдельных структур защиты с помощьюУКС. Настраиваемые ключи УКС, нахо -дящиеся в состоянииВключен и коммутирующие соответствующие горизонтали и вертикали УКС, обозначены точками. Их совокупность образует определенный коммутационный граф, реализующий ту же МЦРЗ, что изображенана фиг5, однако в данном случаетребуется уже не 19, а всего лишь 7функциональных узлов, т.е, почти в 3раза меньше.На фиг,7 - 13 показаны связи внутри УКС для реализации соответствующихструктур защиты, а также функциональные схемы последних. Общее количество структур оказывается равным семи(две структуры для реализации ДТЗ,одна структура для реализации МТЗ,три структуры для реализации МТЗК,одна структура для реализации ГЗ).Отметим, что превышение числа структур над числом защит обусловленомногофазностью защищаемого объектаи пофазным выявлением коротких замыканий соответствующими защитами. Вобщем случае можно было бы обеспечить равенство числа структур числузащит за счет увеличения числа функциональных узлов, входящих в набор5(в рассматриваемом примере необходимо было бы добавить логическую схемуИЛИ и дополнительный сумматор),На фиг.14 приведен общий вид бланка-задания на программирование коммутационного графа МЦРЗ, предусматривающего реализацию семи указанныхструктур. В бланке-задании предусмотрено семь строк (по числу программируемых структур) и 33 колонкипо общему числу настраиваемых ключейУКС. Первые две цифры в четырехзначном коде номера ключа обозначаютпорядковый номер горизонтальной (начиная сверху), а другие две цифры - 20вертикальной шин УКС, на пересечениикоторых находится данный ключ. Знаксоответствует состоянию ключа"Включено".На фиг,15 приведена функциональная схема УУ. Правила коммутации,хранящиеся в ПЗУ (содержимое бланка-задания) поступают на управляющие входы устройства настройки клю=чей УНК, выходы которого соединены 30с управляемыми цепями настраиваемыхключей УКС. Смена коммутируемыхструктур производится выборкой очередного коммутационного графа изПЗУ по команде от таймера Т. Времямежду очередными командами таймераТ определяет длительность существования сформированной структуры,"Замораживание" соответствующей структуры производится блокирующим устройством Бл, цепи управления которого подключены посредством УКС к РО.Бл задерживает поступление следующейкоманды таймера Т на ПЗУ на время нахождения РО в сработанном состоянии.Реализация УУ для сложных МЦРЗ может быть осуществлена с помощью микропроцессора. В простейших случаяхУУ может быть выполнено в виде устройства на жесткой логике. На фиг.16в качестве примера приведена схематакого устройства. УНК представляетсобой диодную матрицу, содержащую 17диодов. Таймер Т состоит из генератора тактовых импульсов ГТИ и счетчикаСч. Блокирующее устройство Бл содержит триггер Тг, логическую схему ИЛИи управляемый ключ Кл. ПЗУ представляет собой совокупность дешифратора П и системы шин (1-7), соединенных с УНК, Выходы УУ, являющиеся выходами УНК, подключены к управляемым цепям настраиваемых ключей УКС.Устройство УУ работает следующим образом.В нормальном режиме Кл открыт и тактовые импульсы с ГТИ поступают на вход Сч. В соответствующие моменты времени на входе дешифратора 0 возникают заданные коды. В эти моменты последовательно возбуждаются определенные выходные шины дешифратора П (начиная с первой), что приводит к включению соответствующих ключей УКС. Вид этого кода определяет время между очередными перекоммутациями, а значит, время существования структур ансамбля, После возбуждения последней шины (в данном примере седьмой) первый цикл работы МЦРЗ завершается. После этого происходит сброс счетчика Сч в исходное состояние и начинается второй цикл. Описанный процесс иллюстрируется временной диаграммой на фиг.17, из которой можно оценить время существования как отдельных структур (1-711), так и защит в целом, соответственно д, 1 мтьп, щфПри коротком замыкани после срабатывания соответствующего РО защит, работающих на отключение, через схему ИЛИ устройства Бл поступает сигнал, размыкающий управляемый ключ Кл. При этом на время нахождения РО в сработанном состоянии код на входе 0 фиксируется, что приводит к замораживанию сформированной к этому моменту структуры защиты.При ненормальных режимах после срабатывания РО защит, работающих на сигнал (в рассматриваемом примере защита МТЗ), происходит срабатывание триггера Тг, формирующего сигнал, который проходит через схему ИЛИ и также приводит к размыканию ключа Кл и "замораживанию " сформированной структуры вплоть до задаваемого органом выдержки времени момента выдачи сигнала Б о выявленном ненормальном режиме. Следует отметить, что задание уставок для формируемых структур осуществляется ИОС в моменты перекоммутации по сигналам, поступающим иэ ПЗУ (фиг.15 и 16). Вид этих сигналов (цифровой код, уровень напряженияи др.) определяется схемной реализацией ИО С фУстройство УКС, ПЗУ, УУ могут быть выполнены на одной печатной пла 5 те, содержащей 20-40 корпусов интегральных схем малой и средней степени интеграции или нескольких интегральных схем большой степени интеграции (БИС). 0Таким образом, реализация МЦРЗ по предлагаемому способу обеспечивает повышение надежности защиты за счет повышения помехозащищенности и суще ственного сокращения числа функциональных узлов (не менее, чем в 2 - 3 раза), причем достигаемый при этом положительный эффект оказывается тем большим, чем сложнее МЦРЗ. 20Наиболее целесообразно использование предлагаемого способа для защиты сложных и особо ответственных электрических систем, в частности автономных, отказы защиты которых мо гут привести к большому ущербу,Формула изобретенияСпособ многофункциональной центра лизованной защиты электрических систем от коротких замыканий, основанный на предварительной декомпозиции объектов на отдельные зоны, контроле состояния защищаемых зон по режим ным параметрам и алгоритмам выявления коротких замыканий, формировании команды на отключение защищаемых зон при возникновении в их пределах короткого замыкания того или иного ви да, причем упомянутые операции контроля и формирования команды отключения осуществляются с помощью М типов функциональных узлов различного назначения, образующих систему из А 45 струк тур з ащиты, каждая из ко то рыхреализует соответствующий алгоритмвыявления одного или нескольких ви -дов короткого замыкания, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения надежности путем сокращенияобщего количества функциональных узлов, состав последних формируют в виде набора функциональных узловН= вцрд п,зирдпвцрдпцгде п- число функциональных узловх-го типа, необходимых для построения 1-й структуры защиты, 1 =1 М;- 1А, а систему защиты образуют непосредственно в процессе контроля повторяющимися во времени циклами, внутри каждого из которых поочередно формируют все А структуры защиты путем периодической коммутациисоответствующих функциональных узловпо заранее заданным правилам, обеспечивающим переход от одной структурызащиты к очередной структуре, а после образования каждой структуры производят с ее помощью анализ состояния защищаемых зон и проверку по одному из указанных алгоритмов выполнения условий, свидетельствующих овозникновении короткого замыкания впределах контролируемых зон,навремясоблюдения этих условий дальнейшиеперекоммутации функциональных узловзадерживают, затем формируют коман -ду на отключение поврежденной зоны,причем период повторения каждой структуры в нормальных режимах функционирования контролируемых зон выбирают много меньшим суммарного временианализа их состояния и времени, необходимого для реализации алгоритмавыявления короткого замыкания самойбыстродействующей структурой, входящей в систему защиты,