Дифференциальные токовые защиты с применением цифровой техники

Министерство электротехнической промышленности и приборостроения СССР Всесоюзный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований в электротехнике (Информэлектро)
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
СЕРИЯ 07. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И УСТРОЙСТВА НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Выпуск 16
Дифференциальные токовые защиты элементов энергосистем с применением цифровой техники
Москва 1990
М. Г. ЛИНТ, В. С. ФУРАШОВ

Раскрыты алгоритмы цифровых дифференциальных защит силовых трансформаторов, сборных шин, линий электропередач, мощных синхронных и асинхронных электродвигателей, генераторов. Рассмотрены вопросы передачи информации о токе, построение воспринимающей и преобразующей частей защит, алгоритмы формирования тормозной характеристики, отстройки небаланса и бросков тока намагничивания.

ВВЕДЕНИЕ
Устройства релейной защиты энергосистем отличаются значительным разнообразием конструкций и принципов действия при сравнительно небольшой потребности народного хозяйства в этих устройствах Сот десятков до сотен тысяч в год). Особенно значительное разнообразив устройств защиты наблюдается в последние годы в связи с переходом на новую элементную базу: операционные усилители, логические микросхемы, При этом существенно расширяются функциональные возможности защит, повышается их качество, но снижаются возможности унификации, что затрудняет их промышленное освоение. Применение элементов цифровой техники в релейной защите, так же как и во многих других областях техники, позволяет разрешить противоречие между разнообразием выполняемых функций с одной стороны и требованиями к их унификации с другой, чем объясняется большое число разработок цифровых защит в последнее время.
Алгоритм продольной дифференциальной токовой защиты является основным алгоритмом защиты силовых трансформаторов, сборных шин, коротких (до 20 км) линий электропередачи, мощных асинхронных и синхронных электродвигателей, генераторов. Разработки отдельных цифровых устройств дифференциальных токовых защит ведутся с конца 70-х годов. В основном это теоретические работы, а также описания опытных образцов защит.
Появление большого числа работ в области цифровых дифференциальных защит и большое разнообразие как алгоритмов, так и технических средств убедило авторов в необходимости систематизации и обобщения полученных результатов.
Обзор содержит две основные части. В первой раскрыты алгоритмы цифровых дифференциальных защит, во второй приведены краткие описания и характеристики разработанных устройств. Рассмотрены вопросы передачи информации о токе, построение воспринимающей и преобразующей частей’ защит, алгоритмы формирования тормозной характеристики, отстройки от токов небаланса и бросков тока намагничивания.

СТРУКТУРА ЦИФРОВЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ И ИХ АЛГОРИТМЫ

В настоящее время в ряде публикаций, обобщающих результаты работ в области использования микроЭВМ для осуществления функций дистанционных и фильтровых защит [I - 3] , затронуты также и общие вопросы построения цифровых защит. Обобщенная структура измерительного органа защиты (рис. I), согласно [2] , содержит промежуточные

Рис. X. Обобщенная структурная схема цифрового измерительного органа
ПТТ - промежуточные трансформаторы тока; ЧФ - аналоговые частотные фильтры; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ВУ - вычислительное устройство; ЦД - цифровой процессор; П - память; У - блок ввода уставок; ВЫВ - блок вывода
трансформаторы тока (ПТТ), которые через аналоговые частотные фильтры (ЧФ) соединены со входами коммутатора (К). С помощью коммутатора дальнейшая обработка сигналов осуществляется на базе одного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в блоке нелинейного преобразования (НП),

Высоковольтные датчики тока и каналы информации

Важнейшее, во многих случаях определяющее значение для выбора алгоритма дифференциальной защиты имеют характеристики датчиков тока и свойства каналов, передающих информацию о токе.
Достаточно сказать, что переход от традиционных трансформаторов тока, имеющих погрешности до 95% в переходных режимах, к датчикам тока с погрешностью порядка не более 20% позволил бы значительно упростить применяемые алгоритмы дифференциальных защит шин [4] , сохранив лишь алгоритм торможения от токов защищаемых сторон,
В качестве первичных датчиков тока применяются в основном электромагнитные высоковольтные трансформаторы тока, В последнее время разрабатываются и применяются высоковольтные трансформаторы тока усовершенствованных конструкций: с зазорами в магнитопроводах, с емкостной компенсацией тока намагничивания, а также оптико-электронные трансформаторы тока [5] . Последние формируют информацию в цифровых кодах, что позволяет упростить цифровые защиты, так как исключается необходимость применения входных: изолирующих трансформаторов и АЦП,
Для линий связи дифференциальных защит все более широко используются оптическо-волоконные системы связи, в которых передающими каналами являются оптическо-волоконные кабели, (ОВК) [б] с передачей сигналов по ним в цифровом коде.
Это обусловлено тем, что ОВК невосприимчивы к электромагнитным помехам, имеют высокий уровень помехозащищенности, большую ширину частот передаваемых сигналов, малые потери и высокие электроизоляционные свойства [7] ,
Применение волоконно-оптических кабелей позволяет избежать влияния электромагнитной индукции (в тех случаях, когда волоконно-оптический кабель проложен в одном канале с силовым кабелем кабельной ЛЭП). Кроме того, ОВК позволяет значительно снизить нагрузку на высоковольтные трансформаторы тока, что особенно важно для дифференциальных защит линий (ДЗЛ), Использование ОВК для ДЗЛ позволяет значительно расширить функциональные возможности защиты, С обычными каналами связи с медными кабелями ДЗЛ находили ограниченное применение, так как могли использоваться только на линиях небольшой протяженности (в СССР до 15 км). Применение оптоволоконных систем связи позволяет использовать ДЗЛ для защиты линий значительно большей длины, определяемой свойствами ОВК практически без дополнительного искажения каналом связи.
В работе [8] рассматривается ДЗЛ, разработанная японскими фирмами The Kansai Electric Power Gompamy и Mitsubishi Electric Corporation, имеющая в качестве канала связи ОВК.

Рис. 2. Структурная схема .дифференциальной защиты линий [8]
I - основная релейная защита; 2 - конечное устройство КШ волоконной оптики; 3 - дискретизация с запоминанием отсчета;
4 - мультиплексор; 5 - АЦП; 6 - параллельно-последовательный преобразователь; 7 - дифференциальное реле; 8 - ДАЛ; 9 - последовательно-параллельный преобразователь; 10 - демультиплексор; II - электрооптический преобразователь; 12 - оптоэлектрический преобразователь; 12 - оборудование для передачи отключающего импульса
Структурная схема ДЗЛ приведена на рис, 2. Оборудование позволяет осуществлять защиту трех параллельных линий электропередач.
Сигналы от трансформаторов тока (ТТ) через фильтр Ф поступают на вход элемента дискретизации с запоминанием отсчета 3, который через каждые 30° преобразует их в дискретные,
Мультиплексор 4 осуществляет уплотнение сигналов, которые затем преобразуются в цифровой сигнал с помощью АЦП 5, а с помощью параллельно-последовательного преобразователя 6 - в сигналы с кодо-импульсной модуляцией (КИМ), имеющие скорость передачи 1,544 Мбит/с. Принятые сигналы с КИМ от ТТ другого конца линии с помощью последовательно-параллельного преобразователя 9, ЦАП 8 и фильтра Ф демодулируются из цифровых в аналоговые сигналы. В конечном устройстве КИМ волоконной оптики 2 осуществляется уплотнение сигналов трех параллельных линий с помощью мультиплексора 4 и преобразование в световой КИМ сигнал с помощью электрооптического преобразователя XI.
КИМ оптические сигналы, переданные с удаленного конца линии, преобразуются обратно в электрические сигналы оптоэлектрическим преобразователем 12 и разделяются на первичные группы сигналов демультиплексором 10.
Предусмотрено передающее и приемное оборудование 13 для передачи отключающего сигнала, которое может быть использовано также для передачи телеметрических и звуковых сигналов.
В защите применено дифференциальное реле 7 аналогового типа, позволяющее удешевить релейную часть. Однако использование реле приводит к дополнительному удорожанию системы из-за необходимости применения цифроаналоговых преобразователей.
Структура слов КИМ-сигнала показана на рис. 3. Информация передается в следующем виде: слово № 0 - 1д, слово № I - 1в, слово JS 2 - 1С, слово S3- 3IQ, слово № 4 - постоянное напряжение для целей контроля.
В защите используется развитая система контроля, включающая контроль аппаратуры и каналов связи: слежение за передачей и приемом оптического сигнала, обнаружение пропадания напряжения на входе и выходе КИМ-сигнала или выхода устройства из синхронизма, обнаружение цифровой ошибки, обнаружение прекращения передачи тактовых сигналов, контроль ошибки в секции параллельно-последовательного преобразования, определение правильности битов ADR, data и Р, которые образуются .двумя битами "01" или "10", проверка четности (биты Р суммируются с битами data - должно быть нечетное число), проверка структуры конца (проверка того, что структура бита END -"00"К.

Если один из видов контроля обнаруживает ошибку, выходной сигнал дифференциального реле блокируется в течение 10 мс.

Рис. 3, Конфигурация слов [8]
FPP - параллельно-последовательное преобразование; IDL - структура ожидания "1100"; syn - структура синхронизации "IIII"; fix - фиксированная структура "01";

end - структура окончания "00"
Кроме того, для целей контроля передается специально напряжение постоянного тока, и проверяется прием соответствующей цифровой структуры (vdc) схемой последовательного-параллельного преобразования, Если фиксируется несоответствие между принимаемым и установленным напряжением, выходной сигнал дифференциального реле также блокируется.
Для исключения влияния тока небаланса токи каждой фазы и ток 310, передаваемые с удаленного конца, преобразуются в аналоговый
тормозной С1?гналкоторый в нормаль
ном режиме мал. Если в процессе передачи сигналов наблюдается ненормальное явление, то возникает ненулевой сигнал , блокирующий дифференциальное реле.
К недостаткам оптоволоконных систем связи можно отнести их высокую стоимость, прежде всего высокую стоимость ОВК. Однако по данным  приведенным в работе [6] , после 1990 г. цена одного метра оптического волокна станет сравнимой по стоимости с кабелем с медными жилами. Кроме того, более широкое применение ОВК позволяет экономить проводниковую медь, поэтому в ближайшие годы можно ожидать еще более широкое использование оптоволоконных систем в релейной защите.
В СССР также разрабатываются оптоволоконные системы [ 9 ] . Однако длина ОВК в этих системах пока не превышает I км. Поэтому данные системы начинают применяться для защит, не требующих протяженных каналов связи, прежде всего для дискретных трансформаторов тока [б].
Структурная схема токовой защиты с дискретным трансформатором тока СДТТ), которая разработана в Московском энергетическом институте, приведена на рис. 4. Передача информации в ДТТ осуществляется в импульсной форме с применением комбинированной времяфазоимпульсной модуляции токов с выхода первичных аналоговых измерительных преобразователей (ШИП), в качестве которых можно использовать обычный трансформатор тока.
Блок сумматора используется для восстановления информации о фазных токах при применении в ПАИП индукционных преобразователей, подверженных влиянию электромагнитных помех от токов соседних фаз.
Аналого-дискретный преобразователь (АЦП) осуществляет широтноимпульсную модуляцию входных величин. Преобразователь сигналов (ПС) разрешает последовательную передачу импульсов АДП фаз А, В и С по одному из временных подканалов мультиплексора (М), который шесте

Рис. 4. Структурная схема дискретного трансформатора тока
с демультиплексором (ДМ) используется для временного уплотнения сигналов.
Преобразователь сигналов обеспечивает несовпадение дискретных сигналов о фазных токах во времени. В качестве канала связи между мультиплексором и демультиплексором используется ОВК, что обеспечивает высокую помехозащищенность ДТТ.
Повышение технологичности изготовления оптоволоконных систем, а следовательно, увеличение длины и снижение стоимости ОВК в будущем создает условия для более широкого их применения в релейной защите.

Реализация воспринимающей части защиты

Воспринимающая часть защиты должна обеспечивать изоляцию ее внутренних цепей от цепей высоковольтных датчиков тока и масштабное преобразование сигналов. При передаче данных с помощью ОВК функции воспринимающей части выполняет аппаратура передачи данных. При традиционных средствах передачи данных о токе необходимо использование входных ТТ. Входные ТТ дифференциальных защит кроме обеспечения изоляции обеспечивают также масштабирование тока. Диапазоны токов, в которых необходимо обеспечивать правильную работу защит, зависят от кратностей токов короткого замыкания и требуемой чувствительности защит.
Отстройка дифференциальной токовой защиты от внешних коротких замыканий требует, как правило, чтобы входные цепи защиты были способны передавать с достаточной точностью мгновенные значения тока, вплоть до максимальной величины. Исключение составляют дифференциально-фазные защиты, имеющие ограниченную область применения.
В таблице приведены данные по уставкам и предельным кратностям внешнего короткого замыкания (КЗ) различных дифференциальных защит.
Как следует из таблицы, отношение максимального тока внешнего КЗ (принужденной слагающей) к минимальной уставке находится в пределах 37,5 - 120. С учетом возможной апериодической слагающей в токе КЗ отношение амплитуды тока внешнего КЗ к амплитуде тока на грани срабатывания может удвоиться и достигнуть 240. Так как точность уставок (основная погрешность) современных защит должна быть не хуже 5-10$, при представлении входных величин в двоичном коде входной, ток на грани срабатывания должен представляться не менее чем четырьмя двоичными разрядами, что обеспечит погрешность дискретизации +3,2$. В максимальном режиме внешнего КЗ для перекрытия кратности 240 требуется еще 8 разрядов. Таким образом, без учета знакового разряда, входные величины дифференциальных защит должны представляться 11-12 двоичными разрядами в зависимости от вида защиты.

Требуемое число разрядов может дополнительно возрасти, если кратность тока КЗ в зоне защиты превышает кратность внешнего КЗ, а принцип действия защиты не допускает ограничения (переполнения АЦП) цри внутреннем КЗ.
Дополнительное расширение разрядности может произойти и при необходимости выравнивания значений токов, представленных в цифровой форме. Оценим, какое число дополнительных разрядов при этом требуется.
Трансформаторы тока, как правило, имеют номинальный ток I^ном• отличный от номинального тока 1ном присоединения, причем ток, подводимый ко входу защиты, равен

где Ксх - коэффициент, зависящий от схемы соединений ТТ.
Значение
может принимать разные значения на разных входах защиты. Особенно велико различие при применении ТТ с 12 ном ТТ, равным 1 и 5 А.
Как показывает практика, 0,3 < Ксх <6,6, изменяясь в 20 раз. Таким образом, для обеспечения функции выравнивания требуется еще 4-5 разрядов, а суммарная разрядность возрастает до 16-18. Учитывая,, что при этом примерно в 20 раз расширяется и динамический диапазон аналоговых элементов воспринимающей части защит, целесообразно применение в цифровых устройствах защиты, так же как и в аналоговых, таких способов выравнивания, при которых масштабирование тока осуществляется на самом первом элементе воспринимающей части: с помощью дискретного изменения числа первичных и вторичных витков входного трансформатора, либо с применением термостабильных шунтов.