Дифференциальные токовые защиты с применением цифровой техники - Описание и характеристики цифровых дифференциальных защит

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ Дифференциальные защиты линий, шин, генераторов, двигателей
В работе [ю] рассмотрена цифровая ДЗЛ трехконцевой линии электропередачи сверхвысокого напряжения, разработанная фирмами Toshiba Corporation и Tokio Electric Power Company. В защите использованы каналы связи с ОВК в сочетании с радиоканалами. Структурная схема защиты приведена на рис. 5. Оборудование релейной защиты установлено на каждой станции. Выборки тока с каждой стороны синхронизируются с выборками тока других сторон и преобразуются в цифровые данные по 12 бит. Передача данных осуществляется с помощью КИМ. Выборки тока делаются через каждые 30° (12 выборок за период). Цифровые данные с каждого КИМ передаются шесте с синхронным флагом распознавания, поэтому их можно легко распознать после окончания выборки и точно скорректировать временную задержку в линии передачи.

Рис. 5. Цифровая ДЗЛ [10]
I - оборудование релейной защиты; 2 - волоконно-оптический кабель; 3 - оборудование передачи данных; 4 - электрический оптический интерфейс; 5 - схема сбора данных; 6 - дополнительный трансформатор тока (трансформатор напряжения); 7 - детектор повреждения; 8 - радиоканалы
На рис. 6 показан формат передачи данных. Каждый блок (цифровые данные одной выборки) состоит из синхронного сигнала блока, 12 бит для передачи данных тока каждой из трех фаз, данных on-off (включения-выключения) и бит контроля циклической избыточности.

Рис. 6. Формат передачи данных цифровой ДЗЛ [10]
Данные on-off содержат информацию о включении-выключении выключателя (для АПВ), информацию о фазных напряжениях, информацию об отключении передачи и информацию об ошибочных данных. Скорость передаваемой информации составляет 54 кбит/с.
Характеристика срабатывания дифференциального реле описывается уравнением
где iI, I2, I3 - ток каждой конечной станции К, Ж) -константы.
Данные о токе каждой конечной станции выбираются в интервале 30° после фильтрации высокочастотных составляющих тока. Расчет абсолютной величины вектора 1Л по данным выборок ii производится с помощью выражения
где z - индекс текущей выборки тока.
В данном выражении используются операции сложения и вычитания, операция умножения не используется, что сокращает время вычисления.
Время срабатывания при условии, что ток КЗ более чем в пять раз превышает уставку по минимальному току срабатывания, не превосходит 20 мс# включая 5 мс временной задержки на линии передачи.
К недостаткам разработки, рассмотренной в работе [10] , можно отнести необходимость точной синхронизации сигналов со всех присоединений защищенного объекта.
Устройство, рассмотренное в работе [II] , представляет собой цифровое дифференциальное реле с несинхронизированными выборками данных по присоединениям. Принцип действия такого реле показан на рис. 7.
Устройство содержит основное оборудование и вспомогательное оборудование, расположенное на другом конце защищаемого объекта (для простоты показан двухконцевой защищаемый объект). Каждый комплект оборудования управляется одним или несколькими микропроцессорами. Основное оборудование производит выборку сигналов на своем конце на интервалах времени t mi, tmz ... Количество выборок задается несинхронизированным таймером, расположенным внутри основного оборудования. Вспомогательное оборудование производит выборку сигналов на своем конце на интервалах времени tSJ , t5Z и т.д. Количество выборок задается автономным таймером, расположенным внутри вспомогательного оборудования, причем времена выборок основного и вспомогательного оборудования могут не совпадать. Сигналы выборок содержат предварительно профильтрованные значения токов трех фаз и тока нейтрали.

Рис. 7. Принцип действия дифференциального реле [II] dm , tsi - моменты формирования выборок основного и вспомогательного оборудования).
Для фильтрации и обработки сигналов тока, измеренных на каждом конце защищаемого объекта, используется метод преобразования Фурье . алгоритм которого описывается выражением:

где
N - количество выборок, измеренных за один период тока; сх) - угловая частота тока; а£ - шаг выборки;
in - мгновенное значение тока, измеренное за время t ;
/5 - интегральный синус Фурье-сигнала тока;
1С - интегральный косинус фурье-сигнала тока.
Если ток изменяется по закону,  где
в - начальная фаза тока, то

Is и 1с являются синусоидальными величинами, а вектор 1-1$.j 1с представляет собой вектор, вращающийся на комплексной плоскости в направлении против часовой стрелки с угловой частотой а) , откуда может быть экстраполировано мгновенное значение тока i
Пусть основное оборудование посылает сообщение о запросе на вспомогательное оборудование во время / а после выборки данных при ~LМ1. Интерфейсу связи основного оборудования потребуется некоторое время   для посылки сообщения о запросе, время задержки в канале связи составит ~ipi .
Возвращенное вспомогательным оборудованием сообщение о данных, содержащие время между выборкой вспомогательного оборудования и поступлением сообщения о запросе tsd . фильтрованные данные 1$) 1с в момент -t$z и информацию о состоянии реле, возвратится на основное оборудование в момент tM4
где 1С - время обработки, необходимое вспомогательному оборудованию для посылки сообщения о данных;
Id - время, необходимое интерфейсу связи вспомогательного оборудования для отсылки сообщения о данных; tpl - задержка в канале связи.
Если предположить, что задержки в передаче и приеме данных одинаковы, т.е. ±Р1 — tpz , и учитывая, что известные величины, можно определить время задержки распространения канала ip :

После этого основное оборудование может определить время выборки tf5 .- из выражения
После определения f s. данные вспомогательного оборудования могут быть согласованы во времени с данными основного оборудования. Так, значение тока стороны вспомогательного оборудования в момент времени -6 мг может быть уточнено, и вектор тока повернут назад на угол, соответствующий разнице времен     и ± нг .
Дифференциальный ld и тормозной 1Т токи для каждой фазы определяются из выражений

Характеристики срабатывания реле описываются выражениями

где К - коэффициент торможения; ld0 - минимальное значение дифференциального тока.
Микропроцессор, находящийся в основном оборудовании, вычисляет
... с помощью выражения

и после согласования значений токов по времени проверяет, выполняются ли условия срабатывания реле.
Формат передачи данных содержит временной признак опроса (I байт), время задержки выборки t scj вспомогательного оборудования (I байт), Js и 1С каждой фазы и ток нейтрали (16 байт), информацию о состоянии реле (I байт). Так как для каждых двух выборок данных требуется передавать только одно сообщение!
о данных, то за период передается только восемь выборок, а время срабатывания реле - 26 мс. Отметим, что данное быстродействие не является предельным для реле и с увеличением скорости выборок увеличивается.  Данное устройство может применяться для защиты сборных шин и линий.
В работе [12] рассмотрена дифференциальная защита, использующая информацию, представленную в дискретной форме. Носителем информации о мгновенных значениях тока каждой стороны дифференциальной защиты является какой-либо временной (угловой) параметр импульса, полученный в результате модуляции по этому параметру входного тока. Предложена пропорциональная зависимость между модулированным параметром а и входным током с :


где tcn - постоянная величина; п - индекс стороны (входа защиты); cion - минимальное значение а .
В [12] анализируется влияние погрешностей широтно-импульсных модуляторов на чувствительность дифференциальной защиты с двумя входами. В качестве характеристики селективности используется отношение максимальной ширины импульса небаланса при внешнем КЗ к минимальной ширине разностного импульса при двустороннем питании внутреннего КЗ. При одинаковых по модулю первичных токах сторон в обоих режимах указанное отношение равно
где- модуль относительной погрешности коэффициентов передачи K-j- и Kg модуляторов.
Следует отметить, что при анализе не учитывались погрешности первичных датчиков, которые в традиционном исполнении (в виде трансформаторов тока или трансреакторов) могут приводить к значительному увеличению величины     . Не учтено также влияние погрешности по а отт • Однако представление мгновенных значений токов в виде временного интервала может представить интерес в случае использования в измерительной части защиты элементов цифровой техники, как логических, так и цифровых.
В работе [13] предложена реализация простой дифференциальной защиты путем сравнения с заданной величиной разности двух соседних выборок дифференциального тока, причем порог сравнения определяется максимальным приращением тока небаланса. Учитывая низкую селективность метода, его целесообразно использовать для грубых дифференциальных органов (отсечек).
Для защиты линий и шин представляет интерес "ситуационный" принцип построения цифровой дифференциальной защиты, предложенный в работе [14] . Принцип основан на фиксации направлений тока всех присоединений. При этом ЭВМ должна производить сравнение текущего набора данных о знаках токов с хранящимися в памяти "ситуациями" - наборами данных. При неоднократном совпадении набора с "аварийным"(в течение заданного времени) ЭВМ вырабатывает сигнал отключения. Поскольку используется информация только о знаке тока присоединения, предложенному принципу присущи недостатки известного дифференциально-фазного принципа, в частности, плохая чувствительность в условиях влияния токов нагрузки. В то же время обеспечивается сравнительно простая цифровая обработка в связи с отсутствием необходимости в многоразрядных АЦП,
В работе [15] рассмотрено устройство цифрового дифференциального реле, принцип действия которого основан на сравнении разности приращений токов защищаемых сторон и полусуммы приращений этих же токов. Реле может быть использовано в чувствительной дифференциальной защите генератора. Условие срабатывания такого реле записывается в следующем виде:

( I )
где- приращения дифференциального тока и полусуммы
токов сторон соответственно;
приращения токов сторон;
- коэффициент торможения реле.
Схема замещения сети, включающей защищаемый элемент, приведена на рис. 8. Защищаемым элементом может быть, например, линия небольшой длины без отпаек, синхронный генератор или электродвигатель достаточно большой мощности.
Левая часть (I) может быть выражена через комплексные сопротивления ZR , Zs :

( 2 )
откуда видно, что значение К не зависит от сопротивления Zp ветви повреждения.
Практически угол между Zr и Z$ не превышает 5 - 15 %, поэтому значение К при внутреннем КЗ в условиях идеальной передачи токов определяется отношением модулей этих сопротивлений и находится в пределах 2    .

Рис. 8. Схема замещения первичной сети:
Кз - передающая система; , ZR - приемная система  Zp - сопротивление ветви короткого замыкания
При внешнем КЗ или любом изменении нагрузки К=0 до тех пор, пока трансформаторы тока передают значение первичного тока без погрешностей. С учетом погрешностей ТТ вместо

где JSf 1% - приведенные значения первичных токов после повреждения, 1р - приведенный доаварийный сквозной ток, в выражение (I) следует подставлять

где /£а t - токовая погрешность ТТ на стороне S соответственно после и до КЗ; -fRa и - аналогичные погрешности стороны Я •
Приведенный в работе [15] анализ выражения (I) после указанной подстановки позволяет сделать следующие выводы:
при внутреннем КЗ условие К>2 сохраняется при любых значениях погрешностей;
при внешних КЗ наихудшие условия возникают в случае больших токов КЗ, при этом К 6 2-f/mах  
Таким образом, селективность защиты можно обеспечить при

Для сравнения в работе [15] анализируется широко распространенный принцип действия, основанный на сравнении полных токов, условие срабатывания которого записывается следующим образом:
( з )
Выражая левую часть неравенства (3) через полные сопротивления схемы замещения сети в условиях внутреннего КЗ, получим эквивалентное условие:
у
где
Авторами показано, что в случае отсутствия тока в режиме, предшествовавшем аварийному ( J5 =1), чувствительность этого принципа действия такая же, как и для рассмотренного выше. Однако в реальных условиях 0 <^<1. При обычной нагрузке ( = 0,6 - 0,9) такие реле обеспечивают, как показывает практика, дифференциальный ток срабатывания, находящийся в пределах (0,2 - 0,5) 1нш в зависимости от выбранного значения К^. Условия торможения при внешних КЗ несколько улучшаются за счет влияния токов нагрузки, однако в рас- счетных (наиболее тяжелых) случаях это влияние не может учитываться, так как величина тока нагрузки перед внешним КЗ может оказаться незначительной.
Устройство реализовано на 16-разрядной микропроцессорной системе 8086 SDK-86, с частотой тактового генератора 5 МГц. МикроЭВМ имеет постоянную память емкостью 4 К и оперативную емкостью 2 К. Структурная схема устройства защиты приведена на рис. 9. На входе защиты установлены два аналоговых фильтра Баттерверта с частотой среза 300 Гц, выходные сигналы которых через мультиплексор МU1, устройство стробирования S/И и аналого-цифровой преобразователь A/i1 по-' падают в вычислительное устройство (ВУ). Программируемый таймер обеспечивает 12 выборок за период.
Цифровой алгоритм получения действующих значений первых гармоник токов основан на вычислении сумм:

где Ifj t - синусная и косинусная компоненты первой гармоники тока соответственно.

Рис, 9в Структурная схема цифровой дифференциальной защиты [15] на принципе сравнения приращений дифференциального и тормозного токов
Алгоритм работы программы защиты приведен на рис. 10. С целью упрощения расчета и уменьшения числа операций шестой (I) использовано эквивалентное выражение:

В расчетах принят I^=1. С целью повышения надежности, кроме условия (I), действие на отключение формируется после выполнения дополнительных условий. Авторами предложены два варианта дополнительных условий:
условие (I) должно повториться подряд не менее двух раз; сравнение по условию должно подтвердиться через три интервала выборки.
В алгоритм защиты также заложено условие минимума приращений, при котором сравнение не производится.
Результаты испытаний защиты на однофазной модели сети показали, что она обладает очень высокой чувствительностью и быстродействием. При соотношении тока повреждения к сквозному доаварийному току 1/5 - 1/40 время срабатывания не превышает 5,6 мс, а при соотношении 1/85 - не превышает периода промышленной частоты (16,7 мс).

Рис. 10. Алгоритм работы программы дифференциальной защиты [15] на принципе сравнения приращений дифференциального и тормозного токов