Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АДЕКВАТНОЙ НАСТРОЙКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Рубан Н.Ю. 1 Гусев А.С. 1 Сулайманов А.О. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
В работе представлены основные результаты разработки средств всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты (ВЧДФЗ) линий электропередачи с учетом процессов во всех значимых элементах защиты различных исполнений и измерительных трансформаторах, позволяющих, используя массивы мгновенных значений конкретной первичной режимной информации, осуществлять адекватную настройку ВЧДФЗ, а также посредством анализа процессов в основных функциональных элементах этих защит выявлять причины их неправильной работы и на основе проведенного анализа разрабатывать рекомендации по минимизации или устранению этих причин, в том числе путем модификации существующих или разработки новых более совершенных ВЧДФЗ. Приведены фрагменты исследований, подтверждающие указанные свойства и возможности разработанных средств моделирования ВЧДФЗ, а также основные положения методики создания этих средств.
высокочастотная дифференциально-фазная защита линий электропередачи
математическое моделирование
оптимальная настройка
метод графов
1. Боровиков Ю.С., Гусев А.С., Сулайманов А.О. Гибридная модель линии электропередачи // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока – 2012. - № 2. – С. 264-268.
2. Боровиков Ю.С., Гусев А.С., Сулайманов А.О. Принципы построения средств моделирования в реальном времени интеллектуальных энергосистем // Электричество – 2012. - № 6. – С. 10-13.
3. Гуревич В.И. Проблемы оценки надежности релейной защиты // Электричество – 2011. -№2. –С. 28-31.
4. Компания RTDS Technologies [Электронный ресурс]: база данных содержит информацию о комплексе реального времени RTDS. – Электрон. дан. – [2014]. – Режим доступа: http://www.rtds.com, свободный. – Загл. с экрана.
5. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 9. Дифференциально-фазная высокочастотная защита линий 110-330 кВ. – М.: Энергия, 1972. – 114 с., ил.

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:

  1. 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.
  2. Получение на основе схем замещения методом направленных графов соответствующих передаточных функций (ПФ) и их анализ в частотной области.
  3. Преобразование полученных ПФ в дифференциальные уравнения и их формализация в виде программного кода, необходимого для реализации разработанных моделей в средствах их применения.
  4. 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.


Библиографическая ссылка

Рубан Н.Ю., Гусев А.С., Сулайманов А.О. СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АДЕКВАТНОЙ НАСТРОЙКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13213 (дата обращения: 20.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074