Библиотека

Применение структурных методов распознавания образов для построения дифференциально-фазной защиты сосредоточенных объектов

Автор: Глазырин В.Е., к.т.н., Купарев М.А. Новосибирский государственный технический университет

Источник: Журнал «Электро». − 2003. − №3. − стр.18-21
  http://www.elektro.elektrozavod.ru/archive.htm

Функции выявления аварийных режимов и выделения поврежденных объектов выполняет релейная защита и автоматика (РЗА). С одной стороны, в ряде случаев аварийные режимы сходны с нормально-эксплуатационными. Например, короткие замыкания (КЗ) можно считать сходными с режимами наброса асинхронной нагрузки, броска тока намагничивания силовых трансформаторов и др. С другой стороны, как показывает практика, насыщение трансформаторов тока (ТТ) приводит к сильному искажению поступающей в реле информации. Эти причины являются основными в создании неопределенности и, как следствие, в неправильных действиях защит. Для построения защиты какого-либо объекта, наиболее полно удовлетворяющей противоречивым требованиям, необходимо решить задачу безошибочного распознавания аварийных ситуаций в электрических системах.
      Эта задача заключается в выявлении признаков (свойств), проявляющихся в контролируемых релейной защитой электрических параметрах и характерных в большей степени только одному конкретному классу режимов, а затем в разработке принципа действия защиты. Безошибочное распознавание режима невозможно без учета искажений во входных токовых цепях защиты из-за насыщений ТТ, соединенных в трехфазные группы, во время переходных процессов. Процесс выявления таких признаков осуществляется путем анализа сигналов тока и/или напряжения, поступающих в устройство защиты при всевозможных состояниях не только защищаемого объекта, а в большей степени входных датчиков информации. Действительно, низкий процент правильных действий многих существующих защит обусловлен именно тем, что в принцип их действия не заложен целый ряд явлений в ТТ, вызванных переходными процессами. А в настоящее время с развитыми информационными технологиями исследование таких переходных процессов не вызывает особых затруднений. Отсюда следует, что для решения задачи безошибочного распознавания требуется обработка значительного объема статистических данных по работе трехфазных групп ТТ в переходных процессах и их влиянию на контролируемые параметры. Такую задачу целесообразно решать методами статистической теории распознавания образов.
      Особенностью такого подхода к распознаванию режима является то обстоятельство, что исследуемый режим, описываемый n-параметрами, представляется в виде объекта в n-мерном пространстве наблюдений. Если получить обучающую статистическую выборку из объектов с установленной принадлежностью к тому или иному классу режимов, то можно построить в пространстве режимных параметров граничные поверхности, разделяющие объекты разных классов. Процедура распознавания — это принятие решения об установлении принадлежности нового объекта, не рассматривавшегося ранее в процессе изучения, к конкретному классу объектов (или образу) путем сравнения свойств этого объекта с уже известными и изученными.
      Как видно, определение состояния защищаемого объекта полностью соответствует задаче распознавания образов в общем виде. Сам процесс развития и совершенствования защиты также приводит к мысли об использовании теории распознавания образов. Ранее известные принципы обнаружения короткого замыкания, например, максимальный ток, минимальное напряжение, использование производной тока по времени, взятые в отдельности, являются достаточно эффективными в очень редких случаях. Наоборот, когда в дифференциальных защитах сосредоточенных объектов в процессе выявления повреждения участвуют несколько параметров (то есть формируется n-мерный образ текущего режима), существенно повышается чувствительность и устойчивость функционирования защиты, и она в большей мере отвечает предъявляемым ей требованиям. Такой подход был сделан, например, в унифицированной дифференциально-фазной защите типа ДФДЗ, разработанной кафедрой «Электрические станции» НГТУ [1]. Алгоритм функционирования этой защиты сочетает дифференциальный, дифференциальный с торможением и дифференциально-фазный принципы действия, а также предусматривает контроль количественных и нескольких качественных отличительных признаков.
      Совершенствование защиты с использованием теории распознавания образов предполагает применение ее методов для переработки информации, хранящейся в поступающих в защиту электрических сигналах. Аппаратом постановки и решения многих задач распознавания являются теория статистических решений, алгебра логики, теория вероятностей и др. Методы распознавания обычно подразделяются на четыре группы: детерминированные, вероятностные, логические и структурные [2]. Остановимся на двух последних.
      Логические методы базируются на дискретном анализе, т.е. на использовании логических признаков, которые можно рассматривать как элементарные высказывания, принимающие два значения истинности — «да», «нет» или «истина», «ложь» — с полной определенностью. К этим признакам относятся, прежде всего, признаки, не имеющие количественного выражения, представляющие собой суждения качественного характера типа наличия или отсутствия некоторых свойств у распознаваемых объектов или явлений. Явным примером таких признаков может служить поведение реле: «сработало» оно или «не сработало». Процесс принятия решения строится на основе разработанных булевых соотношений или функций.
      Логические методы являются традиционным средством исследования релейных схем, где используют аппарат математической логики, основы которой разработаны в середине XIX века английским логиком и математиком Д. Булем. Впервые на возможность применения этого аппарата в технике для анализа релейно-контактных схем указал физик П. Эренфест (1910 г.). Строгое доказательство такой возможности было дано физиком В.И. Шестаковым и известным электротехником и математиком К.Э. Шенноном (1935-1938 гг.). Этот аппарат заложен в основу теории релейных устройств, дающей широкие возможности для описания устройств РЗА любой сложности, их анализа и синтеза, а также для оптимизации их логики [3]. Теория релейных устройств необходима при разработке новых или дальнейшем совершенствовании существующих аналоговых защит, поскольку незначительное изменение в принципе действия требует существенных изменений аппаратной части. Но существующие аналоговые защиты, особенно дифференциальные защиты сосредоточенных объектов, уже имеют очень сложную логику работы. Дальнейшее улучшение эксплуатационных свойств устройств РЗА, построенных на базе аналоговых принципов, становится практически невозможным из-за быстрого их усложнения и, как следствие, резкого увеличения времени их разработки и удорожания.
      Альтернативой является построение микропроцессорных устройств, реализующих функции РЗА. Этими вопросами занимается много организаций, но в своем большинстве разработчики микропроцессорных средств релейной защиты адаптируют принципы построения аналоговых защит. Очевидно, что такой подход не приведет к повышению эффективности применяемого алгоритма. К тому же, особенностью работы микропроцессора по программе логики устройств РЗА является последовательное, поочередное выполнение каждой логической или временной операции, тогда как существующие релейные устройства выполняют их преимущественно параллельно, одновременно.
      Высокая устойчивость функционирования дифференциальных защит сосредоточенных объектов предполагает распознавание текущего режима в самом начале переходного процесса. Быстрое выявление признаков текущего режима в условиях поступления искаженной информации требует параллельного контроля большого числа параметров и сложных алгоритмических решений, индивидуальных для каждого типа защищаемых объектов. Поэтому важным фактором повышения быстродействия цифровой защиты и автоматики является правильное, экономичное построение ее алгоритма, учитывающее особенности и, в частности, систему команд используемого микропроцессора. В связи с этим для построения эффективного алгоритма целесообразно рассмотреть другие возможности теории распознавания образов. Более эффективными могут оказаться структурные методы.
      При использовании структурных (лингвистических, синтаксических) методов образ представляется состоящим из частей (фрагментов) — подобразов, которые называются «непроизводными элементами» или «терминалами». Структурные признаки представляют собой совокупности непроизводных элементов структуры объекта. Каждый объект может рассматриваться как цепочка терминалов — предложение или просто слово [2, 4]. То есть при использовании структурных методов предлагается из контролируемых параметров создать структуру образа, вследствие чего контролируемые параметры будут рассматриваться все вместе, одновременно, а не отдельно друг от друга, как получается в логических методах.
      На применении структурных методов построены кардиомониторы, где распознавание ведется по выделяемым характерным элементам электрокардиограммы. Подобно этому происходит распознавание режима работы электроэнергетического оборудования устройствами РЗА по выделяемым характерным элементам кривой токового сигнала. Исходя из такой аналогии, можно утверждать о применимости структурных методов для построения релейной защиты.
      Нами предлагается применить для реализации алгоритма унифицированной дифференциально-фазной защиты типа ДФДЗ [1] структурный метод с представлением конечного образа режима работы защищаемго объекта в виде так называемых кодов Фримена [4]. Такое название исходит из предложенного Фрименом метода распознавания изображения и текста. Одно из достоинств этого метода заключается в достаточной простоте с точки зрения программирования на низком аппаратном уровне, поскольку его решающие правила заключаются в простом сопоставлении получаемых ко¬дов с известными кодами словаря признаков, а не основываются на использовании каких-то сложных математических или логических алгоритмов, требующих дополнительных вычислений.
      За основу для формирования сигналов, позволяющих контролировать количественные и качественные признаки, взят основной блок устройства защиты ДФДЗ-1. Структурная схема, по которой можно проследить алгоритм формирования этих сигналов, показана на рис.1. Принятые обозначения на рис.1: БФДС — блок формирования дискретных сигналов, ПО, РО — пусковой и реагирующий органы; СО — схема ограничения; БД, БУ — блоки дифференцирования и управления; ВРО, ВПО — выпрямители РО и ПО. ПО контролирует мгновенное значение модуля дифференциального тока. РО совместно со схемой ограничения образует фазный орган защиты. Блок управления позволяет контролировать качественный признак со следующей формулировкой: при внешних КЗ полуволны тока разной полярности поврежденной ветви и суммарного тока питающих ветвей совпадают по времени, а при внешних КЗ — не совпадают. Блок дифференцирования контролирует еще один качественный признак: при внешних КЗ длительность интервала от момента появления дифференциального тока до его максимума меньше длительности от максимума до минимума, а при внутренних — наоборот.

Рис.1 - Структурная схема БФДС

С выходов компараторов снимаются четыре дискретных сигнала для последующего формирования образов. Формирование дискретных сигналов предлагается полностью производить программным путем с шагом дискретизации по времени 1 мс. Каждой комбинации значений дискретных сигналов присвоено шестнадцатиричное число, как показано ниже.
      Последовательность шестнадцатиричных чисел указывает на образ текущего режима работы защищаемого объекта. Более подробное описание предлагаемого метода построения защиты дано в работе [5].

Основная задача при построении защиты заключается в описании алгоритма ее функционирования на формализованном языке кодов, составленных из шестнадцатиричных чисел. Для этого с помощью программной модели, созданной авторами в пакете MatLab, рассматриваются получаемые последовательности чисел при различных состояниях защищаемого объекта и ТТ. Для таких исследований в качестве защищаемого объекта взят блочный трансформатор и принят начальный ток срабатывания защиты 0,15 от номинального. Наглядный пример того, как выявляется образ режима работы защищаемого объекта, показан на рис. 2 и 3 для одной фазы. На рисунках подчеркнуты последовательности чисел, совпадающие с кодами составленных словарей признаков внутренних и внешних КЗ, по которым принимается решение о принадлежности режимов к соответствующему классу.

Рис.2 - Осциллограммы сигналов БФДС и выявленный образ при внутреннем двухфазном КЗ

Проведенные исследования переходных процессов в группах ТТ и их влияния на контролируемые защитой параметры показывают необходимость анализа информации от всех трех фаз для окончательного принятия решения о принадлежности текущего режима к тому или иному классу. Эта необходимость вызвана в большей степени внешними КЗ, поскольку для режимов именно этого класса характерны значительные искажения вторичных токов с последствиями проявления признаков противоположного класса. Кроме того, выявлены режимы последовательных внешних КЗ, демонстрирующие возможное отсутствие проявления некоторых качественных отличительных признаков, заложенных в дополнительные блоки указанной аналоговой защиты [1], причем сразу в трех фазах.

Рис.3 - Осциллограммы сигналов БФДС и выявленный образ при внешнем двухфазном КЗ на землю

Вследствие неабсолютной устойчивости проявления тех или иных признаков их язык, принятый для описания искаженных образов, оказывается частично неопределенным в том смысле, что одна и та же цепочка непроизводных элементов может быть порождена более чем одной грамматикой, используемой для описания режимов отдельного класса. В нашем случае под грамматикой понимается совокупность правил конструирования кодов Фримена, указывающих на конкретный класс, к которому относится текущий режим работы защищаемого объекта. С точки зрения теории распознавания образов, это случай частичного пересечения классов: режимы, принадлежащие разным классам, могут иметь одинаковые описания, но при значительно различающихся, вероятностях их (описаний) появления.
      Предложенный подход к построению защиты позволил выявить два новых отличительных признака аварийных режимов: один качественный и один интегрально-качественный. Например, интегрально-качественный признак заключается в следующем: за один период в переходном процессе при внутренних КЗ количество чисел А по всем трем фазам больше, чем при внешних. Следует отметить такой факт, что эти признаки проявляются более устойчиво именно в наиболее затруднительных случаях с точки зрения их распознавания по признакам, заложенным в аналоговую защиту. Имеет смысл привлечь эти признаки для более правдоподобного описания образов.
      Тогда, исходя из проведенных исследований, можно утверждать о достижении требуемого уровня устойчивости функционирования защиты при использовании в алгоритме распознавания сочетания ранее известных и новых выявленных количественных, качественных и интегрально-качественных признаков. Возможны весьма редкие случаи, и в основном внешние КЗ, при которых решение будет принято в примерно такой формулировке: текущий режим, скорее всего, относится к конкретно определенному классу с ничтожно низкой степенью неопределенности. Время идентификации режима не превысит один период промышленной частоты.
      Необходимость анализа информации от всех трех фаз для окончательного принятия решения усложняет алгоритм функционирования защиты. Вследствие этого в дальнейшем имеет смысл рассмотреть целесообразность объединения информации всех фаз в более общую структуру, формирующую единый образ. То есть, уже комбинациям шестнадцатиричных чисел присваивать какие-либо обозначения и далее также рассматривать подобные цепные коды.

Выводы:

1. Теория распознавания образов может служить эффективной теоретической базой как при построении новых, так и совершенствовании существующих устройств РЗА.
2. Исследования режимов, относящихся к классам внутренних и внешних КЗ, с помощью структурного метода позволили качественно по-новому записать известные отличительные признаки режимов работы, что существенно облегчает их идентификацию и значительно упрощает логику работы релейной защиты.
3. Более того, параллельная обработка сигналов основного блока ДФДЗ-1 позволяет выявлять новые отличительные признаки аварийных режимов. Использование же этих признаков в защитах, построенных на других принципах, невозможно.

Список литературы:

1. Разработка и исследование средств расширения функциональных возможностей устройства ДФДЗ-1 и внедрение образца в «Рязаньэнерго». Отчет о НИР (заключительный)/ Новосибирский электротехнический институт. Научный руководитель Багинский Л.В. № Гос. регистрации 01.8.80.04 8741. — Новосибирск, — 1990.
2. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания: Учеб. пос. для ВУЗов. — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989.
3. Теоретические основы построения логической части релейной защиты и автоматики энергосистем/ Поляков В.Е., Жуков С.Ф., Проскурин Г.М.; Под ред. В.Е. Полякова. — М.: Энергия, 1979.
4. К. Структурные методы в распознавании образов./ Перевод с англ. Завалишина Н.В., Петрова СВ., Шейнина Р.Л.; Под ред. Айзермана М.А. — М.: «Мир», 1977.
5. Глазырин В.Е., Купарев М.А. Применение принципов теории распознавания образов для построения дифференциально-фазной защиты сосредоточенных объектов ЭЭС// Электроэнергетика: Сб. научн. тр./ Отв. ред. Манусов В.З. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.