Введение
Надежность и эффективность функционирования электроэнергетических систем (ЭЭС) в значительной мере зависят от правильности работы устройств релейной защиты. Между тем, в соответствии с [3], 25-28% тяжелых системных аварий в ЭЭС происходит из-за неправильных действий релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА). Указанная статистика не включает аппаратные неисправности устройств РЗ и ПА, поэтому основной причиной такой работы РЗ и ПА следует считать неадекватную реальным условиям функционирования их настройку, причина которой заключаются в следующем:
1) использование при проектировании и эксплуатации указанных средств недостаточно полной и достоверной информации о возможных процессах в ЭЭС;
2) обобщенный учет погрешностей преобразования данными средствами первичной режимной информации, формируемых конкретными реализациями РЗ и ПА и измерительными трансформаторами (ИТ).
Появление средств адекватного моделирования, позволяющих достаточно полно и достоверно воспроизводить спектр режимов и процессов в ЭЭС [2, 4], стала возможной минимизация влияния первой причины на правильность настройки РЗ и ПА. Что касается второй причины, то программные и программно-технические комплексы, используемые для расчета настроек этих средств, не позволяют учитывать на достаточном уровне влияние на функционирование РЗ и ПА их конкретные реализации и процессы в ИТ. В связи с этим актуальной становится задача создания достаточно полных и достоверных математических моделей РЗ и ПА и средств их реализации, позволяющих осуществлять их настройку с учетом влияния конкретных исполнений и ИТ применительно к реальным условиям функционирования данных средств в ЭЭС. Поскольку в ЭЭС эксплуатируется огромное количество устройств РЗ и ПА, отличающихся по принципу действия и по типам, в данной работе решение обозначенной задачи рассматривается применительно к основной защите линий электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения – высокочастотной дифференциально-фазной защите (ВЧДФЗ) [5].
Цель исследований заключается в создании средств адекватного моделирования, обеспечивающих достаточно полный учет влияния конкретных исполнений ВЧДФЗ и процессов в измерительных трансформаторах и ЭЭС в целом, необходимых для их адекватной настройки и повышения эффективности функционирования данного типа защит.
Материалы и методы
Использование предлагаемых адекватных моделей ВЧДФЗ и средств их реализации позволяет задавать значение настроечных коэффициентов не обобщенно, как это делается в настоящее время, а в соответствии с реальными условиями функционирования конкретных ВЧДФЗ. Синтез и реализация необходимых для этого моделей ВЧДФЗ осуществляется согласно следующей методике:
-
Анализ принципиальной схемы ВЧДФЗ и составление полной схемы её замещения, учитывающей: взаимодействие всех значимых функциональных блоков защиты, насыщение магнитопровода различных промежуточных трансформаторов, наличие активной составляющей сопротивлений обмоток трансформаторов, дросселей и реле.
-
Получение на основе схем замещения методом направленных графов соответствующих передаточных функций (ПФ) и их анализ в частотной области.
-
Преобразование полученных ПФ в дифференциальные уравнения и их формализация в виде программного кода, необходимого для реализации разработанных моделей в средствах их применения.
-
Экспериментальные исследования разработанных моделей ВЧДФЗ в средствах их применения.
В рамках исследований в соответствии с этой методикой синтезированы модели ВЧДФЗ на электромеханической элементной базе типа ДФЗ-201 и цифровой ДФЗ различных производителей, отличающихся в основном логикой работы, но имеющих схожую измерительно-преобразовательную часть. В качестве средства реализации указанных моделей ВЧДФЗ разработана программа DPPmodels, позволяющая осуществлять детальную настройку и регулировку параметров элементов защиты в соответствии с реальными условиями ее функционирования. Программа может использоваться на персональном компьютере с введением массивов данных режимных величин защищаемого объекта в формате COMTRADE, которые могут быть получены с помощью регистраторов аварийных событий или соответствующих средств моделирования ЭЭС. Для приведенных исследований использована первичная информация (напряжения и токи по концам линии электропередачи 220 кВ), полученная с помощью разработанного в Энергетическом институте Томского политехнического университета Всережимного моделирующего комплекса реального времени ЭЭС (ВМК РВ ЭЭС) [2]. Кроме этого, ВМК РВ ЭЭС позволяет также реализовывать разработанные модели ВЧДФЗ в специализированных гибридных процессорах ЛЭП [1].
Результаты исследований и обсуждение
В ходе предварительных испытаний разработанных моделей с помощью программы MATLAB подтверждена возможность выявления погрешностей в измерительно-преобразовательной части ВЧДФЗ. В качестве примера на рисунке 1 представлены иллюстрирующие данную возможность осциллограммы выходного сигнала фильтра тока обратной последовательности (ФТОП) панели ДФЗ-201 при двухфазном коротком замыкании на защищаемой ЛЭП: идеализированного I(идеал) и реального I(реал) ФТОП. Отклонение реального сигнала от идеализированного составило по амплитуде ≈ 9%, по фазе ≈ 2 % (7,2°). 
Рис. 1. Осциллограммы выходного сигнала ФТОП
Выявленное отклонение обусловлено трансреактором реального ФТОП и может быть минимизировано регулировкой зазора в магнитопроводе трансреактора или величиной нагрузочного резистора фильтра. Указанные настройки позволяют оптимизировать величину уставки электромеханической ВЧДФЗ по току обратной последовательности и увеличить чувствительность данного органа защиты. Эффективность такой дополнительной настройки применительно к панели ДФЗ-201 подтверждают результаты моделирования, представленные на рисунках 2, 3. В первом случае в связи с указанными причинами и наличием несимметрии в исходном режиме в пусковом KAZ1 и отключающем KAZ2 реле (соединены последовательно) реагирующего органа защиты возникает ток небаланса, который в нормальном режиме работы ЛЭП имеет сравнимое с величиной уставки значение и может послужить причиной преждевременного запуска ВЧ передатчика.
Рис. 2. Осциллограммы тока реле KAZ2, уставок по току обратной последовательности и логического сигнала о срабатывании/несрабатывании пускового и отключающего реле KAZ1 и KAZ2 1-го полукомплекта защиты без оптимизации настройки
Рис. 3. Осциллограммы тока реле KAZ2, уставок по току обратной последовательности и логического сигнала о срабатывании/несрабатывании пускового и отключающего реле KAZ1 и KAZ2 1-го полукомплекта защиты с оптимизацией настройки
В результате регулировки зазора в трансреакторе и нагрузочного резистора величина тока небаланса в реле KAZ1 и KAZ2 снижается, что исключает необходимость загрубления уставки и повышает чувствительность данного комплекта защиты.
Исследованиями аналогичных средств моделирования ВЧДФЗ цифрового исполнения также полностью подтверждено наличие свойств и возможностей, необходимых для их адекватной настройки.
Выводы
В связи с сохраняющейся проблемой возможных неправильных действий устройств РЗ и ПА, в том числе ВЧДФЗ, актуальной является задача адекватной настройки этих устройств. Для надежного и эффективного решения этой задачи применительно к ВЧДФЗ разработаны средства всережимного моделирования данного вида защиты ЛЭП, позволяющие:
- осуществлять всережимное исследование ВЧДФЗ различного исполнения посредством анализа процессов во всех основных функциональных элементах этих защит, используя достоверные массивы мгновенных значений первичной режимной информации;
- настраивать ВЧДФЗ различного исполнения в соответствии с конкретными условиями их функционирования в ЭЭС с помощью разработанных программных средств моделирования ВЧДФЗ и режимной информации в виде массивов значений, в формате COMTRADE, полученных с помощью средств всережимного моделирования ЭЭС или регистраторов аварийных событий;
- выявлять причины неправильной работы ВЧДФЗ, связанные с конкретными условиями её работы, а также с функционированием отдельных её элементов или всей их совокупности в зависимости от типа исполнения, и на основе проведенного анализа разрабатывать рекомендации по минимизации или устранению этих причин, в том числе путем модификации существующих ВЧДФЗ, а также разработки новых более совершенных ВЧДФЗ.
Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» 2.1318.2014 «Разработка и исследование гибридного моделирующего комплекса энергосистемы с активно-адаптивной сетью».
Рецензенты:
Кабышев А.В., д.ф.-м.н., с.н.с, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.
Хрущев Ю.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры электрических сетей и электротехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.