Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Исследование проблемы адекватной настройки дистанционных защит 15
1.1 Общая характеристика проблемы адекватной настройки средств релейной защиты 15
1.2 Анализ средств моделирования электроэнергетических систем 18
1.3 Выводы 44
ГЛАВА 2 Методика всережимного моделирования и синтез математических моделей дистанционных защит 47
2.1 Методика всережимного моделирования дистанционных защит 47
2.2 Синтез математических моделей 52
2.2.1 Математические модели измерительных трансформаторов 52
2.2.2 Математическая модель электромеханической дистанционной защиты 58
2.2.3 Математическая модель микроэлектронной дистанционной защиты 69
2.2.4 Математическая модель микропроцессорной дистанционной защиты 87
2.3 Выводы 91
ГЛАВА 3 Программная реализация математических моделей дистанционных защит 93
3.1 Реализация всережимной модели дистанционной защиты для автономного применения 94
3.2 Реализация всережимной модели дистанционной защиты для интеграции в средства всережимного моделирования ЭЭС 100
3.3 Выводы 106
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование всережимных моделей дистанционных защит 108
4.1 Исследование всережимных моделей измерительных трансформаторов и дистанционной защиты 116
4.2 Сравнительный анализ функционирования модели и реальной дистанционной защиты 126
4.3 Исследование адекватности функционирования модели дистанционной защиты, интегрированной в программно-технический комплекс всережимного моделирования ЭЭС 138
4.4 Выводы 146
Заключение 147
Список литературы 150
- Анализ средств моделирования электроэнергетических систем
- Математические модели измерительных трансформаторов
- Реализация всережимной модели дистанционной защиты для интеграции в средства всережимного моделирования ЭЭС
- Исследование адекватности функционирования модели дистанционной защиты, интегрированной в программно-технический комплекс всережимного моделирования ЭЭС
Анализ средств моделирования электроэнергетических систем
Поскольку настройка средств РЗ, включая ДЗ, в виду очевидных, указанных во введении, обстоятельств, производится с применением средств математического моделирования ЭЭС [7,53-57,61-70], есть основания считать, что нерешенность проблемы адекватной настройки РЗ и ДЗ, в частности, связана с тем, что свойства и возможности применяемых в настоящее время средств моделирования ЭЭС не обеспечивают решения необходимых для ее минимизации задач: 1) детализированного анализа работы ДЗ в конкретных условиях функционирования, позволяющего оценивать процессы изменения токов и напряжений в защищаемых объектах и погрешности их преобразования в ИТ и применяемых типах ДЗ; 2) определения параметров адекватной настройки ДЗ на основе результатов детализированного анализа их работы.
Для решения указанных задач средства моделирования ЭЭС должны отвечать двум основным критериям:
1) достоверное воспроизведение квазиустановившихся и переходных процессов для определения контролируемых ДЗ токов и напряжений в защищаемых объектах во всевозможных нормальных, аварийных, послеаварийных режимах реальных ЭЭС;
2) адекватный учет погрешностей преобразования контролируемых токов и напряжений в ИТ и в функциональных элементах ДЗ конкретных реализаций. Для оценки правомерности наличия указанных критериев, очевидно, требуется их обоснованное разъяснение в рамках решаемой проблемы. В силу требования быстродействия первые, а также, если предусмотрено оперативное, автоматическое, телеускорение, то и вторые или третьи ступени ДЗ, могут срабатывать без выдержки времени или с минимальной выдержкой времени, то есть во время протекания переходных процессов в ЭЭС. В таких условиях весьма значимой для настройки ДЗ является достоверность учета апериодических составляющих контролируемых токов и напряжений, обусловленных протеканием указанных процессов. Поскольку функционирование ДЗ осуществляется в широком спектре процессов, протекающих в оборудовании, ЛЭП и ЭЭС в целом в большинстве своем в несимметричных аварийных режимах, зачастую с отклонением частоты тока электрической сети, искажением синусоид контролируемых токов и напряжений, а также исходя из специфики реализаций различного типа ДЗ, настройка которых, как правило, ориентирована на основную гармоническую составляющую, весьма важным для оценки работы ДЗ в указанных условиях является достоверность воспроизведения всего значимого спектра гармонических составляющих токов и напряжений [23,24,28,29,33]. Как показывает практика, достаточно сложной задачей является адекватная настройка второй ступени ДЗ, характеристика срабатывания которой должна обеспечивать стопроцентную защиту защищаемого объекта и одновременно отстройку от спектра нагрузочных режимов. При этом, принимая во внимание возможность возникновения условий для срабатывания ДЗ не только в начальный момент аварийного режима, но и в процессе его ликвидации, в результате наложения неблагоприятных природных условий, поломок или неправильного функционирования других средств РЗА, работы РЗА в целом, ошибочных действий персонала и прочих факторов, в совокупности приводящих, согласно приведенной во введении мировой статистике системных аварий [1], к развитию этих аварий, немаловажным для настройки работающих с выдержкой времени ступеней ДЗ является возможность достаточно полного и достоверного воспроизведения всего спектра квазиустановившихся и переходных процессов в защищаемых объектах в таких условиях функционирования реальных ЭЭС на требуемом, в идеале неограниченном, временном интервале. Учитывая вышесказанное, а также очевидное ввиду изложенных во введении факторов проблемы адекватной настройки РЗА обстоятельство, что полнота и достоверность математического моделирования ЭЭС определяется адекватностью применяемых математических моделей всего значимого оборудования, ЛЭП, РЗА и ЭЭС в целом и способностью средств их реализации решать совокупную модель реальной ЭЭС с гарантированной приемлемой точностью, первому критерию в полной мере соответствуют средства моделирования ЭЭС, обеспечивающие непрерывное трехфазное воспроизведение с гарантированной приемлемой точностью единого спектра квазиустановившихся и переходных процессов в электрических машинах, трансформаторах, ЛЭП, обобщенных нагрузках, других значимых объектах и ЭЭС в целом при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы, в дальнейшем называемые всережимными средствами моделирования ЭЭС.
Учет при настройке вносимых ИТ и различными реализациями ДЗ погрешностей согласно применяемых в настоящее время методик расчета уставок осуществляется посредством обобщенных коэффициентов отстройки, значения которых регламентированы руководящими указаниями [58-60]. В целях минимизации решаемой в работе проблемы целесообразно обоснованное уточнение значений этих коэффициентов как в рамках регламентированных Руководящими указаниями величин, так и, при необходимости, определение их новых значений (для обоснования правомерности последнего, безусловно, необходима длительная эксплуатационная проверка пригодных для этого соответствующих средств моделирования РЗ). Следовательно, для соответствия второму критерию средствами моделирования должен обеспечиваться более адекватный конкретным условиям функционирования ДЗ в ЭЭС учет указанных погрешностей. Такой учет возможен при условии получения необходимой для настройки ДЗ информации при помощи средств всережимного моделирования ЭЭС, либо при помощи широко распространившихся в настоящее время аналого-цифровых РАС, а также, если применяемыми при этом математическими моделями ДЗ обеспечивается достаточно полное и достоверное воспроизведение процессов, протекающих в ИТ, функциональных элементах конкретных реализаций и ДЗ в целом во всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах работы, в дальнейшем называемых всережимными моделями ДЗ.
Для определения соответствия приведенным критериям выполнен сопоставительный анализ распространенных средств моделирования реальных ЭЭС, в которых предусмотрена возможность моделирования РЗА, в том числе ДЗ: программно-вычислительных комплексов (ПВК) АРМ СРЗА [61], Мустанг [63,64], EUROSTAG [68-70], а также разработки Энергетического института Томского политехнического университета Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС) [53-57,77-80].
Математические модели измерительных трансформаторов
Схемы ФСВ состоят из n-ого числа усилителей-ограничителей (УО), выполненных на базе ИОУ с достаточно большим коэффициентом усиления [39], в модели данные элементы принимаются идеальными. Согласно приведенной на рисунке 2.15 схеме и выражениям (2.13), (2.14) число УО соответствует числу сравниваемых по фазе величин е 1,е2,...,еи . На входах УО формируются синусоидальные величины согласно выражению ) где е„- формируемая n-ая величина, являющаяся функцией измеряемых токов и напряжений; ии - формируемое на выходе ПТН напряжение, пропорциональное измеряемому линейному напряжению; м. - формируемое на выходе ПТТ напряжение, пропорциональное измеряемой разности фазных токов; Wu, Wt - ПФ ФСВ по цепям напряжения и по цепям тока.
На выходах УО формируются прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности е1 ,е2 ,...,еп , фаза и длительность которых соответствует положительным и отрицательным полуволнам синусоидальных величин е1,е2,...,еп.
При реализации направленных ХС первой и третьей ступени ДЗ в схеме ФСВ величина е 3формируется с использованием напряжения «подпитки» еП БП, необходимым для надежной работы ДЗ «по памяти» при близких КЗ. Совпадение по фазе тока на выходе БП с током на входе компаратора ФСВ, необходимое для правильного функционирования ДЗ, обеспечивается за счет контура резистор -конденсатор (Ris-Сs), посредством которого реализуется поворот по фазе напряжения еП на угол 90 градусов.
Отрицательная обратная связь (ОС) в схеме УО, выполненная при помощи включенных параллельно резистора Rос и стабилитрона Rs, обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе и исключение его работы в режиме насыщения. В приведенной на рисунке 2.15 схеме резистор Яз соединяет неинвертирующий вход УО с землей. Назначение Яз заключается в компенсации напряжения смещения, возникающего между инвертирующим и неинвертирующим входами из-за конечности входных токов. Однако, ввиду того, что входные токи современных ИОУ пренебрежимо малы, возникающей в результате наличия напряжения смещения погрешностью в рамках решаемой задачи можно пренебречь, поэтому в схеме УО ФСВ сопротивление Яз принимается равным нулю.
В модели ФСВ функция суммирования величин, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям, формируемых на входах УО е е2 ... еп и функция преобразования формируемых синусоидальных величин в соответствующие импульсные величины ех ,е2 ,...,еп разнесены.
Формируемые на входе УО синусоидальные величины е е2 ... еп Я26; 71316 - проводимость рассчитываются при помощи ПФ, в общем виде приведенных в [Приложение А], определяемых согласно структурным схемам и соответствующим направленным графам (рисунок 2.16), где 714 - эквивалентная проводимость последовательно Yl2l5 - проводимость резистора R24; Yl3l5 - проводимость резистора R22; Yl2l6 78 проводимость резистора резистора R25; 71217 эквивалентная проводимость последовательно включенных резистора R29 и конденсатора C5, 71217=- — ; 71117 - проводимость резистора i?28; 71317 R29 C5 проводимость резистора R27; YW23 - эквивалентная проводимость последовательно включенных резистора R33 и конденсатора C7, YW24 = —— — ; 71224 R33 С1 проводимость резистора R34; Y2224 - проводимость резистора R32; 774 5 6 814 915 72016 72117 72523 72624 – проводимости ветвей обратной связи УО А1-А9, равные эквивалентной проводимости параллельно включенных стабилитрона
ФИН представляет собой селектор, реализованный на диодных сборках V1, …, Vn и компараторе на базе ИОУ, выполняющий сравнение прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности. При отсутствии сигналов на входах ФИН или совпадении полярностей импульсов на выходе формируется положительный импульс, при несовпадении - отрицательный. Так как ФИН выполняет логические операции с последовательностями импульсов, в модели ДЗ его учет выполняется логической функцией если
В РС ДЗ ШДЭ-2801 применяется два вида РО: РО1 и РО2. При помощи РО1 выполняется сравнение времени несовпадения, равного длительности отрицательного импульса на входе, с заданным. РО1 используется для формирования многоугольных ХС второй и третьей ступени ДЗ. При помощи РО2 выполняется сравнение времени несовпадения, равного длительности отрицательного импульса на входе, с временем совпадения, равным длительности положительного импульса на входе. РО2 используется для формирования ХС в форме окружности, эллипса или составных ХС, образованных пересечением нескольких окружностей, в ДЗ ШДЭ-2801 используется в качестве реагирующего органа первой ступени [39].
Принципиальная схема РО1 приведена на рисунке 2.18, а схема замещения и направленный граф РО1 - на рисунке 2.19. Присутствующие в схеме диоды и проводимость Укэ (коллектор-эммитер) транзистора в ПФ в зависимости от полярности сигнала учитываются прямым или обратным сопротивлением. Логические элементы описываются логическими функциями.
Реализация всережимной модели дистанционной защиты для интеграции в средства всережимного моделирования ЭЭС
Совпадение сравниваемых напряжений ИТН на рисунке 4.3 свидетельствует о том, что в рассмотренном режиме перенапряжения условий для насыщения сердечника и, как следствие, к увеличению погрешности измерений, не возникает. Результаты экспериментальных исследований, полученные согласно п.1.3 программы исследований приведены на рисунках 4.4 – 4.13.
Для подключения выполненных на ИОУ элементов комплектов РС ДЗ напряжения на вторичных цепях ПТТ и ПТН масштабируются в пределах 15В. Соответствие напряжений на вторичных обмотках ПТТ и ПТН (рисунок 4.4, 4.5) указанному диапазону свидетельствует об адекватности разработанных моделей данных промежуточных преобразователей.
Осциллограммы вторичных фазных напряжений ИТН и напряжений подпитки eп, формируемых на выходах БП, где ua, ub, uc – уменьшенные в 0,005 раз вторичные напряжения ИТН; еп_аb, eп_bc, еп_ca – напряжения «подпитки» на выходах БП комплектов РС АВ, ВС, СА
Согласно приведенным на рисунке 4.6 осциллограммам в режиме близкого трехфазного КЗ фазные напряжения на вторичных обмотках ПТН равны нулю, при этом напряжения на выходе БП присутствуют еще несколько периодов (0,06-0,08 секунд). Это возможно благодаря особенностям схемы БП, представляющей собой, согласно приведенной во второй главе ПФ, колебательное звено. Формируемое на выходе БП напряжение «подпитки» используется при формировании сравниваемых величин в схеме ФСВ первой и третьей ступеней ДЗ, посредством которых реализуются направленные ХС. Поэтому от правильности настройки БП зависит правильность срабатывания данных ступеней ДЗ при близких КЗ. Результаты функционирования ФСВ первой ступени в рассматриваемом режиме трехфазного КЗ приведены на рисунках 4.7-4.9.
Приведенные на рисунках 4.7, 4.8, 4.9 осциллограммы иллюстрируют реализуемый в схемах микроэлектронных РС ФСВ принцип преобразования формируемых синусоидальных величин при помощи усилителей ограничителей в соответствующие импульсы прямоугольной формы для их дальнейшего сравнения по фазе, реализуемого в ФИН. Такой принцип обеспечивает исключение ложного срабатывания РС при малом абсолютном значении одной из сравниваемых величин.
Приведенные на рисунке 4.10 результаты подтверждают правильность моделирования алгоритма функционирования ФИН: при несовпадении по фазе сравниваемых величин (е1_, е2_, е3_) на выходе ФИН формируются импульсы отрицательной полярности, а при совпадении – положительной; в нормальном режиме длительность отрицательных импульсов на выходе ФИН значительно меньше положительных, а в режиме КЗ – длительность отрицательных импульсов больше длительности положительных.
С выхода ФИН прямоугольные импульсы подаются на вход реагирующего органа РО2, состоящий из интегрирующего и логического элементов. В схеме интегрирующего элемента РО2 выполняется интегрирование импульсного сигнала и срабатывание при превышении интегральным значением uИ значения порогового напряжения uП. На выходе логического элемента РО2 при отсутствии срабатывания сформирован сигнал 0, при срабатывании формируется сигнал 1. совместно с результатами функционирования ФИН приведены результаты функционирования РО2 комплектов РС АВ, ВС, СА в режиме трехфазного КЗ, которые иллюстрируют срабатывание РО2 в данном режиме с временем порядка 0,0066 секунд в соответствии с принципом действия, чем собственно подтверждается адекватность реализованной математической модели РО2.
Осциллограммы функционирования ФИН, интегрирующего и логического элементов РО2 комплекта РС СА первой ступени ДЗ
Согласно п.1.3.6 программы исследований в таблице 4.1 в качестве примера приведены действительные погрешности, например, вносимые ИТТ, ИТН и БП, в нормальном и аварийном режимах. Погрешности всех учитываемых в модели функциональных элементов ДЗ определяются аналогичным образом.
Погрешности ИТТ, ИТН, БП в моделируемых режимах КЗ Моделируемы й элемент Рассматриваемы й режим Осциллограмм ы приведены на: Заидеальны й сигнал принят Определенная погрешность поамплитудевнормальном(аварийном) режиме, впроцентах по фазе В результате определения действительных погрешностей ИТ и конкретных реализаций ДЗ выполняется адекватная конкретным условиям функционирования их настройка. В частности, учет приведенных в таблице 4.1 погрешностей послужил основанием для уточнения настроек второй ступени моделируемой ДЗ в конкретных условиях ее работы. Соответствующие результаты исследования приведены в разделе 4.3.
Согласно приведенным на рисунках 4.15-4.17 осциллограммам в рассматриваемом режиме КЗ фаз В и С ВЛ 110кВ А-Б на выходе ФИН всех трех комплектов формируются импульсы отрицательной полярности, соответствующие времени несовпадения по фазе сравниваемых величин. Для комплектов РС АВ и СА длительность положительных импульсов больше отрицательных, поэтому конденсатор интегрирующего элемента РО2 данных комплектов не успевает перезарядится до требуемой величины uп, срабатывания их РО2 не происходит. На выходе ФИН комплекта РС ВС в режиме КЗ формируется отрицательный импульс, длительность которого достаточна для перезаряда конденсатора интегрирующего элемента РО2 и формирования на его выходе напряжения, превышающего uп, условие срабатывания выполняется, на выходе логического органа РО2 формируется сигнал срабатывания. В соответствии с рисунком 4.18 отличие по времени срабатывания модели и реальной ДЗ составляет около 0,005 секунд
Исследование адекватности функционирования модели дистанционной защиты, интегрированной в программно-технический комплекс всережимного моделирования ЭЭС
По итогам анализа проблемы адекватной настройки РЗА, включая ДЗ, определено, что несоответствующая конкретным условиям функционирования их настройка, обусловлена двумя основными факторами: 1) использование недостаточно полной и достоверной информации о процессах изменения токов и напряжений в защищаемых объектах ЭЭС; 2) чрезмерно приближенный учет погрешностей преобразования контролируемых токов и напряжений в ИТ и конкретных реализациях ДЗ. Наличие этих факторов связанно с тем, что в виду ограниченности свойств и возможностей применяемых для настройки РЗ средств математического моделирования ЭЭС данными средствами не обеспечивается решение задач детализированного анализа работы ДЗ в конкретных условиях функционирования, позволяющего оценивать процессы изменения токов и напряжений в защищаемых объектах и погрешности их преобразования в ИТ и применяемых типах ДЗ, а также возможность определения параметров адекватной настройки ДЗ на основе результатов такого анализа их работы. С учетом указанных обстоятельств сформулированы и обоснованы критерии, предъявляемые к средствам моделирования ЭЭС для решения указанных задач: 1) достоверное воспроизведение квазиустановившихся и переходных процессов для определения контролируемых ДЗ токов и напряжений в защищаемых объектах во всевозможных нормальных, аварийных, послеаварийных режимах реальных ЭЭС; 2) адекватный учет погрешностей преобразования контролируемых токов и напряжений в ИТ и в функциональных элементах ДЗ конкретных реализаций.
В виду появления в настоящее время удовлетворяющих названным критериям средств всережимного математического моделирования ЭЭС, а также учитывая распространение аналого-цифровых РАС, в рамках рассматриваемой проблемы первостепенной определена необходимость создания собственно средств всережимного моделирования ДЗ с учетом ИТ и конкретных реализаций, предусматривающих использование массивов мгновенных значений токов и напряжений защищаемых объектов ЭЭС, полученных при помощи РАС или средств всережимного моделирования ЭЭС, для решения задач детализированного анализа работы ДЗ в конкретных условиях функционирования и их адекватной данным условиям настройки.
Исходя из отмеченных обстоятельств, разработана и обоснована методика всережимного математического моделирования ДЗ, определяющая порядок синтеза всережимных математических моделей ДЗ с учетом ИТ и конкретных реализаций существующих электромеханических, микроэлектронных и микропроцессорных элементных баз, также предусматривающая создание программных средств их реализации на базе средств математического моделирования общего и специального назначения.
В соответствии с методикой синтезированы всережимные модели электромагнитных ИТ и наиболее распространенных типов ДЗ, выполненных на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементных базах, пригодные для выполнения исследований преобразования сигналов в ИТ и функциональных элементах ДЗ, определения действительных погрешностей этих преобразований, и в совокупности позволяющие выполнять детализированный анализ работы и выявление причин неправильного функционирования ДЗ, а также их адекватную настройку в конкретных условиях функционирования.
Разработаны программные средства реализации синтезированных моделей ДЗ с применением распространенных языков программирования, наделенные необходимыми для детализированного анализа работы ДЗ и адекватной конкретным условиям функционирования настройки свойствами и возможностями: 1) использование в качестве исходных данных реальных массивов мгновенных значений токов и напряжений, записанных при помощи РАС или средств всережимного моделирования ЭЭС; 2) формирование осциллограмм входных и выходных сигналов ИТ и элементов ДЗ; 3) интерфейс адаптирован для задания всех требуемых уставок ДЗ; 4) гибкость настройки и блочная структура обеспечивают удобство изменения реализуемых моделей ДЗ под конкретные исследовательские задачи; 5) выполняется воспроизведение основных видов ХС ДЗ; 6) возможность исследования процессов в аппаратуре, реализуемых алгоритмов и работы ДЗ в широком спектре моделируемых режимов, учет влияния функционирования ДЗ при моделировании ЭЭС.
Проведенными исследованиями разработанных средств всережимного моделирования ДЗ подтверждено наличие указанных свойств и возможностей, определяющих их пригодность для детализированного анализа работы, выявления причин неправильного функционирования и адекватной настройки ДЗ в целом в конкретных условиях функционирования; кроме того, доказана адекватность синтезированных математических моделей путем анализа полученных осциллограмм входных и выходных сигналов ИТ и функциональных элементов ДЗ, иллюстрирующих процессы в аппаратуре и реализуемые алгоритмы функционирования, путем сравнения результатов моделирования ДЗ с результатами функционирования реальной ДЗ типа ШДЭ-2801 с использованием записанных РАС массивов токов и напряжений в реальных аварийных режимах, а также путем исследования всережимной модели ДЗ в реальном времени функционирования в широком спектре моделируемых при помощи ВМК РВ ЭЭС нормальных и аварийных режимов ЭЭС.
Совокупность результатов диссертационной работы свидетельствует о наличии у разработанных средств всережимного моделирования ДЗ необходимых для детализированного анализа работы ДЗ, в том числе причин их неправильного функционирования, а также их адекватной конкретным условиям функционирования настройки свойств и возможностей, чем подтверждается успешность решения рассмотренных задач и достижение поставленной цели.
