Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УРОВНЯ ДЕТАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ НА АДЕКВАТНОСТЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Андреев М.В. 1 Рубан Н.Ю. 1 Сулайманов А.О. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Современная электроэнергетическая система (ЭЭС) является сложной, многопараметрической, динамической, жесткой системой. Адекватное моделирование процессов, протекающих в оборудовании и ЭЭС в целом, представляет собой нетривиальную задачу. При этом в большинстве работ, посвященных её решению, основное внимание уделяется моделированию силового оборудования ЭЭС, а устройства релейной защиты (РЗ) моделируются упрощено. В то же время характер переходных процессов при различных возмущениях в реальной энергосистеме часто зависит от момента срабатывания устройств РЗ и действия противоаварийной автоматики. Это в том числе относится и к электромеханическим переходным процессам, продолжительность и характер которых определяет последующий режим работы и устойчивость энергосистемы. В данной публикации представлены результаты исследований, проведенные с применением моделирующего комплекса гибридного типа ВМК РВ ЭЭС и показывающие необходимость полноты и достоверности моделирование РЗ с учетом их конкретных реализаций.
переходные процессы
адекватность
релейная защита
моделирование
1. Андреев М.В., Боровиков Ю.С. Оптимизация уставок дифференциальных защит трансформаторов и автотрансформаторов с помощью их адекватных математических моделей // Современные проблемы науки и образования, 2013. – №3; http://www.science-education.ru/109-9343.
2. Бабенко К.И. Основы численного анализа. – М.: Наука, 1986. – 744с.
3. Бабушка И., Витасек Э., Прагер М. Численные процессы решения дифференциальных уравнений: Пер. с англ. / Под ред. Г.И. Марчука. М.: Мир, 1969. – 368 с.
4. Боровиков Ю.С., Гусев А.С., Сулайманов А.О. Принципы построения средств всережимного моделирования в реальном времени энергосистем // Электричество, 2012. – № 6 – C. 10-13.
5. Боровиков Ю.С., Сулайманов А.О. Информационно-управляющая система мультипроцессорного комплекса моделирования в реальном времени энергосистем // Электротехника, 2013. – № 5. – С. 56-63.
6. Вержбицкий В.М. Численные методы (математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения). – М.: Высш. шк., 2001. -382с.
7. Гусев А.С. Концепция и средства всережимного моделирования в реальном времени электроэнергетических систем//Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2008, - № 9-10/1. – c. 164-170.
8. Рубан Н.Ю., Гусев А.С., Сулайманов А.О. Средства моделирования для адекватной настройки дифференциально-фазной высокочастотной защиты линий электропередачи [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2014 - №. 3. - C. 1. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/117-r13213.
9. Сулайманов А.О., Андреев М.В., Рубан Н.Ю. Концепция адекватного моделирования релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем // Электричество, №6, 2012, с. 17 – 20.
10. Хеминг Р.В. Численные методы: Пер. с англ. / Под ред. Р.С. Гутера. М: Наука, 1968. -400 с.
11. Холл Дж., Уатт Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений: Пер. с англ. / Под ред. А.Д. Горбунова. -М.: Мир, 1979. -312с.

Все оборудование (первичные двигатели, генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, разнообразные электропотребители и множество другого основного и вспомогательного оборудования) электроэнергетических систем (ЭЭС) связано между собой в процессе производства, транспортировки, распределения и потребления электрической энергии.

Поскольку подавляющее большинство этого оборудования представляет собой динамические элементы, к тому же преимущественно нелинейные и с весьма значительным диапазоном постоянных времени, любая современная ЭЭС образует большую, многопараметрическую, жесткую, нелинейную, динамическую систему. В связи с этим полное и достоверное моделирование процессов, протекающих в оборудовании и ЭЭС в целом, представляет собой крайне сложную задачу. При этом в большинстве работ, посвященных её решению, основное внимание уделяется моделированию силового оборудования ЭЭС, а устройства релейной защиты (РЗ) моделируются упрощено. В то же время характер переходных процессов при различных возмущениях в реальной энергосистеме часто зависит от момента срабатывания устройств РЗ и действия противоаварийной автоматики. Это в том числе относится и к электромеханическим переходным процессам, продолжительность и характер которых определяет последующий режим работы и устойчивость энергосистемы.

Вышесказанное связано с тем, что в настоящее время для математического моделирования режимов и процессов в оборудовании и ЭЭС в целом преимущественно применяются программные и программно-технические комплексы, в которых для расчета системы дифференциальных уравнений используются численные методы. Численное моделирование, ввиду адекватности своей методической и инструментальной основы статическим задачам, обеспечивает успешный и эффективный расчет установившихся режимов ЭЭС. Однако моделирование переходных процессов ЭЭС с применением численных методов связано с совершенно иной, принципиально противоположной ситуацией, порождающей необходимость глубокой декомпозиции процессов и упрощения математической модели ЭЭС, а также существенных ограничений жесткости, дифференциального порядка этих моделей и длительности воспроизводимых процессов [2, 3, 6, 10, 11]. Причем, как показывает история развития программных средств данной специализации, указанная ситуация весьма слабо зависит от существующего развития методической и инструментальной основы цифрового моделирования. Причиной этого является наличие ограничительных условий численных методов [2, 3, 6, 10, 11]: решения дифференциального уравнения должны удовлетворять условию Липшица, длина интервала решения ограничивается по условию теоремы Далквиста и др.

Разработанный в Энергетическом институте Томского политехнического университета Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС (ВМК РВ ЭЭС) «освобожден» от обозначенных выше ограничений.

Целью исследований является повышение адекватности моделирования переходных процессов в ЭЭС за счет использования всережимных математических моделей, учитывающих конкретные реализации и процессы в измерительных трансформаторах (ИТ).

Материалы и методы

ВМК РВ ЭЭС [4, 5] представляет собой параллельную, многопроцессорную, программно-техническую систему реального времени гибридного типа. Он объединяет в себе адаптируемую совокупность специализированных гибридных процессоров (СГП) всех элементов моделируемой схемы ЭЭС и информационно-управляющую систему.

Заложенные в ВМК РВ ЭЭС принципы построения исключают методическую ошибку решения математических моделей элементов и соответственно совокупной модели ЭЭС в целом, безотносительно к дифференциальному порядку, жёсткости и интервалу решения. Поэтому, точность решения гарантирована и определяется только инструментальной погрешностью аппаратной части комплекса, минимизация которой обеспечивается применением прецизионных интегральных компонентов.

Уникальные характеристики ВМК РВ ЭЭС стали доступны благодаря использованию концепции гибридного моделирования [7], которая для достижения высокой адекватности моделирования объединяются несколько методов: аналоговое, цифровое (численное) и физическое. Аналоговая часть обеспечивает отсутствие методической погрешности интегрирования. Цифровая часть позволяет на программном уровне реализовать алгоритмы управления и изменения параметров воспроизводимой системы. На физическом уровне обеспечивается связь и коммутация моделируемых элементов аналогично тому, как это осуществляется в реальной энергосистеме.

Свойства и возможности ВМК РВ ЭЭС позволяют интегрировать в комплекс (как на уровне Сервера, так и в микроконтроллеры СГП) математические модели релейной защиты и автоматики, учитывающие все ключевые программно-аппаратные особенности реализации конкретных устройств, а также процессы в измерительных трансформаторах тока и напряжения – детализированные модели [1, 8, 9]. Объем данной статьи не позволяет привести всю информацию по данной теме, поэтому ниже приведены фрагменты результатов моделирования наиболее распространенной в отечественной электроэнергетике электромеханической высокочастотной дифференциально-фазной защиты (ВЧДФЗ) – ДФЗ-201.

Фрагмент (схема замещения, граф, передаточная функция (ПФ) и дифференциальное уравнение на основе ПФ) математической модели для промежуточного трансформатора в составе блока реагирующих органов (пусковых и отключающих) ДФЗ-201 приведен ниже:

а) б)

Рис. 1. Схема замещения (а) и граф (б) промежуточного трансформатора

где B1TlA2, C1TLA2 и др. – коэффициенты, определяемые RLC-параметрами схемы промежуточного трансформатора ДФЗ.

а) б)

Рис. 2. Амплитудно-частотная (а) и фазо-частотная (б) характеристики промежуточного трансформатора

Реализация синтезированных математических моделей ДФЗ осуществляется путем трансформации математических моделей, представленных в виде системы дифференциальных уравнений, в программные коды, интегрируемые в программное обеспечение ВМК РВ ЭЭС.

Следующий раздел экспериментально подтверждает актуальность и необходимость использования детализированных математических моделей.

Результаты исследований и обсуждение

Исследования проведены на ВМК РВ ЭЭС с помощью учебной модели энергосистемы, фрагмент однолинейной схемы которой представлен на рис. 3. На рис. 4 и 5 представлены осциллограммы фазных токов линий электропередачи 220 кВ ВЛ-207 и ВЛ-210 при логическом учете и соответственно детальном моделировании функционирования основной защиты ВЛ-207 – дифференциально-фазной высокочастотной защиты ДФЗ-201. Ход эксперимента следующий: при возникновении трехфазного короткого замыкания (КЗ) на линии ВЛ-207 происходит срабатывание РЗ, при этом на воздушной линии электропередачи напряжением 220 кВ ВЛ-210 возникают синхронные качания. В первом случае (рис. 4) функционирование ДФЗ-201 реализовано лишь логически, посредством учета времени срабатывания защиты (30 мс) и времени срабатывания выключателей (40 мс). При этом синхронные качания, возникшие на ВЛ-210, имеют максимальную амплитуду 859,4 А. В случае использования детализированной математической модели ДФЗ-201 при том же времени срабатывания выключателей (40 мс) время срабатывания ДФЗ-201 составило 58 мс, что привело к более длительному режиму существования КЗ, и, как следствие, послужило причиной возникновения более глубоких (максимальная амплитуда составила 1001 А) синхронных качаний на линии ВЛ-210 (рис. 5).

Рис. 3. Фрагмент моделируемой энергосистемы

Рис. 4. Осциллограммы токов линий ВЛ-207 и ВЛ-210 при логическом учете функционирования РЗ ВЛ-207

Рис. 5. Осциллограммы токов линий ВЛ-207 и ВЛ-210 при детальном моделировании функционирования РЗ ВЛ-207

Выводы

Результаты исследований, кратко обозначенные в данной статье, позволили сделать вывод о том, что характер протекания переходных процессов в значительной степени зависит от функционирования РЗ. При этом при использовании детализированных моделей защит и их упрощенных аналогов, реализующих лишь функцию сравнения контролируемых величин с уставкой и управление коммутационной аппаратурой, протекание переходного процесса в модели ЭЭС было различным.

Вышесказанное позволяет подтвердить тот факт, что при моделировании режимов и процессов в ЭЭС необходимо учитывать должным образом все влияющие на них в значительной степени элементы, к которым в частности относится и релейная защита ЭЭС.

Работа выполнена при поддержке мегагранта ТПУ № ВИУ_ЭНИН_138_2014 – «Гибридное моделирование и управление в интеллектуальных энергосистемах».

Рецензенты:

Гусев А.С., д.т.н., доцент, профессор кафедры электроэнергетических систем 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

Андреев М.В., Рубан Н.Ю., Сулайманов А.О. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УРОВНЯ ДЕТАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ НА АДЕКВАТНОСТЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-2. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19827 (дата обращения: 07.12.2021).

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