книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

также начинают находить применение в распределительных сетях напря­ жением 6—10 кВ автономных ЭЭС. Вариант защиты с жесткой архитек­ турой показан на рис. 5.8, а с гибкой —на рис. 5.9 [132].

Система РЗ содержит четыре типа автономных защит: дифферен­ циально-токовую ДТЗ; газовую ГЗ, максимальную токовую защиту комбинированную МТЗК и максимальную токовую защиту от перегруз­ ки МТЗП. Несложный подсчет показывает, что традиционная реализа­ ция РЗ (первый вариант) предусматривает использование 19 достаточно сложных ФУ, причем многие из них повторяются в каждой структуре автономных РЗ. Второй вариант построения РЗ предполагает рациональ­ ное использование минимального набора ФУ (как это было показано в § 5.3 на простейшем примере) благодаря их периодической перекоммутации для организации заданного ансамбля структур РЗ. Достигаемая таким образом экономия в общем количестве ФУ приводит к сущест­ венному упрощению РЗ, а значит, к повышению ее надежности. Такой подход позволяет применительно к рассматриваемому примеру сокра­ тить количество ФУ с 19 до 7, т.е. почти в 3 раза. Принцип комплек­ тования минимального набора К ФУ определяется выражением

ni —число ФУ /-го типа (/ = 1, ... , АО, необходимых для построения /-й структуры РЗ (/ = 1, ... ,с4) ; N - число типов ФУ.

Поручая каждой формируемой структуре РЗ выявление одного или нескольких видов повреждения, а также контроль одной или не­ скольких зон и осуществляя периодическую перекоммутацию ФУ набора К в соответствии с (5.11) непосредственно в процессе контроля защи­ щаемого объекта, можно построить гибкую, автоматически перестраива­ емую в процессе эксплуатации структуру УРЗ. Количество создава­ емых в процессе перекоммутации структур РЗ может при необходимо­ сти увеличиваться, расширяя тем самым функциональные возможности защиты.

В качестве ФУ допускается использование как аналоговых, так и цифровых устройств. Из рис. 5.9 видно, что УРЗ содержит измеритель­ ные преобразователи параметров защищаемого объекта ИПТ, ИПН, многоканальный управляемый источник опорных сигналов ИОС, набор ФУ и универсальную коммутирующую структуру УКС, состоящую из систем горизонтальных и вертикальных шин, на пересечении которых установлены элементарные настраиваемые ключи. Ключи (например, триггерные контакты) имеют два состояния настройки: ’’включен” (на рис. 5.9 ключи в этом состоянии обозначены точками) или ’’от­ ключен”. Кроме того, система гибкой УРЗ должна содержать устройство управления УУ и ПЗУ. Измерительные преобразователи параметров, например электрического тока ИПТ, подключены к части горизонталь­

171

ных шин УКС. К другой части шин подключены выходы ИОС. Если ФУ выполнены в виде аналоговых устройств, в качестве ИОС, используемо­ го для формирования уставок, могут быть применены ЦАП. Если же ФУ, для которых необходимо задавать уставки срабатывания, являются цифровыми устройствами, ИОС выполняет функции демультиплексо­ ра. Кроме того, к горизонтальным шинам УКС подключены цепи дистан­ ционного управления приводами коммутационных аппаратов защища­ емых зон. К части системы вертикальных шин подключены выходы и входы ФУ. Входные сигналы ИОС поступают с выходов УУ в виде ко­ дов уставок. В общем случае количество одинаковых (/-го типа, / = = 1, ... , N) ФУ, входящих в набор ЗС, определяется некоторой, например /-й, структурой защиты, входящей в ансамбль (/ = 1 , ... ,&) и содержа­ щей наибольшее число ФУ такого типа, т.е. sup^ и,-.

Универсальная коммутирующая структура реализует коммутацию по принципу полного графа [74]. Такая УКС является полнодоступ­ ной и позволяет образовывать любые соединения между системами го­ ризонтальных и вертикальных шин. Следует подчеркнуть высокую надежность УКС, так как она реализуется в виде ИМС (как и УУ, ПЗУ, ИОС). Устройство управления может быть реализовано на базе МП, осуществляющего настройку ключей УКС по заложенным в ПЗУ правилам перекоммутации. Выходы одних ФУ со входами других ФУ соединяются горизонтальными шинами, не занятыми измерительными преобразователями (ИП) и ИОС. Образованная таким образом комму­ тационная структура позволяет программным (процедурным) путем создавать любые необходимые аппаратно реализованные каналы связи для обмена информацией между всеми ИП и ФУ в соответствии с прави­ лами коммутации.

Приведенная на рис. 5.9 система УРЗ функционирует следующим об­ разом. Получив из ПЗУ задание, УУ реализует коммутационный граф, настраивая ключи УКС. Одновременно с этим УУ настраивает ИОС таким образом, чтобы на выходах последнего была представлена необ­ ходимая совокупность опорных напряжений (уставок). После выполне­ ния всех необходимых соединений внутри УКС будет реализована первая

лируемых зон по алгоритму реализованной структуры защиты) в случае, если режим работы защищаемых зон нормальный, по правилам, храня­ щимся в ПЗУ, устройство УУ перекоммутирует с помощью УКС соот­ ветствующие ФУ, ИП и ИОС (перестройка уставок) и реализует очеред­ ную структуру (II) второй из входящих в ансамбль РЗ. И так до тех пор, пока не произойдет возврат к структуре I. На этом первый цикл работы УРЗ заканчивается. В данном цикле будет реализован весь ан­ самбль структур УРЗ и, следовательно, произведен контроль защища­ емых зон по каждому из возможных видов повреждения. Затем начи­

172

нается второй цикл работы УРЗ, аналогичный первому, и т.д. Если в процессе работы при реализации некоторой /-й структуры будет выяв­ лено повреждение в пределах защищаемых зон, УУ приостановит даль­ нейшую перекоммутацию УРЗ. Спустя время, необходимое для приня­ тия решения, ’’законсервированная*’ структура защиты отключает выяв­ ленное КЗ соответствующего вида.

Важным условием эффективной работы УРЗ является обеспечение малого значения периода Т повторения одной и той же структуры в ансамбле (продолжительность одного цикла работы УРЗ), который должен быть существенно меньше суммарного времени анализа состоя­ ния контролируемых зон Га и принятия решения об их отключении ^пр самой быстродействующей структурой защиты в ансамбле. Состав­ ляющая fa представляет собой отрезок времени, достаточный для сра­ батывания реагирующего органа защиты при возникновении поврежде­ ния в пределах защищаемых зон. Сославляющая fnp является прину­ дительной выдержкой времени, реализуемой обычно с помощью органа выдержки времени и вводимой для отстройки от помех, способных при­ вести к ложному срабатыванию реагирующего органа в нормальном ре­ жиме. Если же информация о срабатывании реагирующего органа непре­ рывно формируется в течение времени £пр, заведомо большего макси­ мально возможной в данных условиях длительности помехи, это свиде­ тельствует о возникновении КЗ в пределах защищаемых зон. Сказанное поясняется на рис. 5.10, 5.11, где приведены соответствующие времен­ ные диаграммы. При этом для упрощения рассмотрен случай, когда в ансамбль входят три (<# = 3) структуры РЗ, обозначенные I, И, III, с временами их существования в цикле соответственно t^,

На рис. 5.10 показан случай возникновения в момент времени t 0 КЗ вида, выявляемого структурой защиты II, причем когда момент t 0 пришелся как раз на интервал A t перекоммутации УКС в #-м цикле от структуры I к структуре II. Так как формируемая при этом структу­ ра II предназначена именно для выявления возникшего вида КЗ, то за­ держка Гзад в выявлении повреждения практически отсутствует. Сфор-

Рис. 5.10. Временная диаграмма функционирования гибкой системы УРЗ (случай возникновения КЗ, выявляемого структурой II перед началом ее формирования)

173

Рис. 5.11. Временная диаграмма функционирования гибкой системы УРЗ (случай возникновения КЗ, выявляемого структурой II после завершения ее формиро­ вания)

мированная после момента t 0 структура II "замораживается” на время *срН срабатывания этой защиты, которое складывается из двух состав­ ляющих: Га и t nр. В течение времени Гср11 дальнейшие перекоммутации структур не производятся, и только по истечении этого интервала времени УКС перекоммутируется на очередную структуру, какой в дан­ ном случае является структура III. Далее в следующем (д + 1)-м цикле формируются структуры I, II, III и т.д.

На рис. 5.11 показан наихудший вариант: возникновение КЗ вида, выявляемого также структурой И, но в момент времени 10, пришедший­ ся на интервал A t перекоммутации УКС в к-м цикле от структуры II к структуре III. Поскольку структура III не предназначена для выяв­ ления возникшего вида КЗ, то до начала его выявления пройдет ка­

на отключение поврежденной зоны, а далее возобновляется перекоммутация очередных структур.

В общем случае будет иметь место задержка fзад в срабатывании за­ щиты, максимальное значение которой может достигать величины Т — tj , где tj — время существования структуры }, выявляющей возникшее замыкание соответствующего вида. Ясно, что с ростом числа структур в ансамбле увеличивается Т, причем в этом случае Т > tj . Поэтому можно считать, что (^зад) тах. ^ Т. Отсюда вытекает требова­ ние: для сокращения доли £зад в общем времени от момента возникно­ вения до выявления и отключения замыкания необходимо выполнение условия (t3ap) mex< T < tcp/ ,rj& t cpj = (ta)j + (fnp) /.

Современный уровень развития техники РЗ (например, в автономных ЭЭС) позволяет реализовать структуры, которые за время / а = 0,5 -г

174

т 1,0 мс могут проанализировать состояние контролируемых зон. Элек­ тронные коммутирующие устройства (УКС) обладают быстродействием A tK = 100 -г 200 нс [74]. Таким образом, при заданном времени приня­ тия решения, например Гпр = 50 мс, технически возможно уже в настоя­

ть щее время реализовать за время Т = 5 мс (Г<^ / а + гпр) до - — —— =

= 5 -г 10 структур РЗ в одном ансамбле, что вполне достаточно для защи­ ты сложных объектов.

С учетом тенденций развития элементной базы ВТ следует ожидать в ближайшие годы дальнейшего увеличения их быстродействия. Это соз­ дает предпосылки для повышения эффективности гибких УРЗ либо пу­ тем увеличения количества реализуемых структур, либо за счет допу­ стимого усложнения алгоритмов защиты (увеличения времени анализа) при заданном числе реализуемых структур, либо за счет повышения их быстродействия. При необходимости расширения функциональных воз­ можностей гибких УРЗ, например с появлением новых принципов выяв­ ления повреждений, система УРЗ может быть оснащена соответствующи­ ми дополнительными ФУ в виде стандартных конструктивных моду­ лей. Внесение дополнительных правил коммутации в ПЗУ позволит вво­ дить в ансамбль новые структуры без нарушения конструкции исход­ ной системы УРЗ. Использование модульного принципа в конструкции подобных гибких защит даст также возможность их модернизации пу­ тем замены одних модулей (ФУ) другими.

Вернемся к рассмотрению приведенной на рис. 5.9 УРЗ двухобмоточ­ ного трансформатора. На рис. 5.12 в качестве примера показаны функ­ циональная схема и схема коммутации УКС для одной структуры за­ щиты (ДТЗ). Общее количество структур в ансамбле оказывается рав­ ным семи (две структуры для реализации ДТЗ, одна для реализации МТЗП, три для реализации МТЗК и одна для реализации Г З). Отметим, что превышение числа структур над числом защит обусловлено многофазностью защищаемого объекта и пофазным выявлением КЗ соответ­ ствующими защитами. В общем случае можно было бы обеспечить ра­ венство числа структур числу защит 5а счет увеличения ФУ, входящих в набор (в рассматриваемом примере необходимо было бы добавить ло­ гическую схему ИЛИ и дополнительный сумматор).

На рис. 5.13 приведен общий вид бланка-задания на программирова­ ние коммутационного графа УРЗ, предусматривающего реализацию се­ ми указанных структур. В бланке-задании предусмотрены семь строк по числу программируемых структур и 33 колонки по общему числу настраиваемых ключей УКС. Первые две цифры в четырехзначном ко­ де номера ключа обозначают порядковый номер горизонтальной (на­ чиная сверху), а другие две цифры - вертикальной шин УКС, на пересе­ чении которых находится данный ключ. Знак ”+” соответствует вклю­ ченному состоянию ключа.

175

Рис. 5.14. Функциональная схема УУ К ИОС КУКС ОтРО

На рис. 5.14 приведена функцио­ нальная схема УУ. Правила комму­ тации, хранящиеся в ПЗУ (содержи­ мое бланка-задания),поступают на управляющие входы устройства на­ стройки ключей УНК, выходы кото-

Время между очередными командами таймера определяет длительность существования сформированной структуры. ’’Замораживание” соответ­ ствующей структуры производится блокирующим устройством Бл,

для рассматриваемого примера. Устройство настройки ключей пред­

чей УКС.

Устройство управления работает следующим образом. В нормальном режиме Кл открыт и тактовые импульсы с ГТИ поступают на вход Сч. В соответствующие моменты времени на входе D возникают заданные коды. В эти моменты последовательно возбуждаются определенные выходные шины D (начиная с первой), что приводит к включению соответствующих ключей УКС. Вид этого кода определяет время между очередными перекоммутациями, а значит, время существования струк­ тур ансамбля. После возбуждения последней шины (в данном примере -- седьмой) первый цикл работы УРЗ завершается. После этого происходит сброс счетчика Сч в исходное состояние и начинается второй цикл.

Описанный процесс иллюстрируется временной диаграммой на рис. 5.16, по которой можно оценить время существования как отдель­ ных структур (I—VII), так и УРЗ в целом соответственно t дТЗ, ^МТЗП» ^МТЗК> ^ГЗ* При КЗ после срабатывания соответствующего РО защит,

177

Набор ключей

Рис. 5.15. Схема реализации УУ на элементах жесткой логики

г т и

Рис. 5.16. Обобщенная временная диаграмма функционирования гибкой системы УРЗ с перестраиваемой архитектурой для понижающего трехфазного трансформа­ тора

работающих на отключение, через схему ИЛИ устройства Бл поступает сигнал, размыкающий управляемый ключ Ял. При этом на время нахож­ дения РО в состоянии срабатывания код на входе дешифратора D фик­ сируется, что приводит к ’’замораживанию” сформированной к этому моменту структуры защиты.

В анормальных режимах после срабатывания РО защит, работающих на сигнал (в рассматриваемом примере — защита МТЗ), происходит срабатывание триггера Тг, формирующего сигнал, который проходит через логическую схему ИЛИ и также приводит к размыканию ключа Ял и ’’замораживанию” сформированной структуры вплоть до задава­ емого органом выдержки времени момента выдачи сигнала sig о выяв­ ленном анормальном режиме. Следует отметить, что задание уставок для формируемых структур осуществляется ИОС в моменты перекоммутации по сигналам, поступающим из ПЗУ (см. рис. 5.14, 5.15). Вид этих сигналов (цифровой код, уровень напряжения и др.) определяется схемной реализацией ИОС. Опыт создания устройств УКС, ПЗУ, УУ показывает возможность реализации их совокупности в виде одной пе­

179

чатной платы, содержащей 20—40 корпусов ИС малой и средней сте­ пени интеграции или нескольких ИС большой степени интеграции (БИС).

Обобщая сказанное, можно заключить, что предлагаемые принципы построения гибких РЗ могут быть реализованы системами, осуществля­ ющими постоянное фиксирование и измерение входных сигналов, их преобразование в некоторый текущий критерий самонастройки с его последующим выполнением, т.е. являющимися конечными автоматами с программируемыми коммутацией и структурой [12]. Дальнейшее развитие предлагаемых принципов построения РЗ может идти по пути перехода к системам с автоматическим изменением критериев самона­ стройки в зависимости от состояния защищаемого объекта, в первую очередь изменения его конфигурации и режимов работы. Таким РЗ бу­ дут присущи характерные черты кибернетических систем [9]. Их отли­ чием станет полная автоматизация выбора оптимального принципа вы­ явления повреждения в зависимости от состояния защищаемого объек­ та, определения закона настройки архитектуры РЗ, поиска свободных ФУ и их композиции в структуру. Следует особо отметить, что изло­ женные принципы процедурно-аппаратной реализации структур РЗ ох­ ватывают только незначительную часть возможных вариантов. Потребу­ ются большие усилия специалистов-релейщиков для анализа и широкой практической реализации гибких РЗ, формируемых процедурно-аппа­ ратным путем.

5.5. ПРОГНОЗИРУЮЩИЕ ГИБКИЕ РЗ НА БАЗЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МП

Известно, что операция прогнозирования (предсказания), состоящая в точном или приближенном определении последующего значения функ­ ции по некоторой имеющейся совокупности данных, зависящих от ее предыдущих значений, находит достаточно широкое применение в теории и практике процессов управления [98]. Во многих случаях доступным является только неполное описание состояния системы в настоящем и прошлом, на основании которого можно сделать лишь вероятностные оценки о состоянии системы в будущем. В этих случаях используется математический аппарат теории предсказания, предметом которой яв­ ляется разработка и исследование статистических методов оптимального прогнозирования (предсказания). Статистические методы предсказания требуют большого объема вычислений, и поэтому их применение для прогнозирования остродинамичных аварийных процессов в реальном, а тем более ускоренном масштабе времени встречает серьезные затруд­ нения. Весьма перспективными в этой связи являются методы прогно­ зирования, основанные на моделировании аварийного процесса в уско­ ренном масштабе времени. Они наиболее целесообразны, когда процесс изучен и с определенными допущениями может рассматриваться как

180