Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Имитационное моделирование электроэнергетических систем 17
1.1. Задачи и принципы имитационного моделирования 17
1.2. Синтез модели ЛЭП в базисе симметричных составляющих 20
1.3. Реализация ИМО в базисе фазных координат 23
1.4. Моделирование переходных процессов ЭЭС 42
1.5. Показатели неадекватности имитационной модели 51
1.6. Выводы 55
Глава 2. Распознавание аварийных ситуаций в линии электропередачи 58
2.1. Типы сопротивлений в задаче распознавания места повреждения 59
2.2. Годографы напряжения и тока 62
2.3. Годограф сопротивления 63
2.4. Характерные точки годографа сопротивления 65
2.5. Двухпроводная модель 67
2.6. Труднораспознаваемые аварийные ситуации в линиях электропередачи 70
2.7. Простейшая интерпретация явления нераспознаваемости 76
2.8. Выводы 79
Глава 3. Алгоритмическое моделирование электроэнергетических систем - информационные аспекты теории распознавания 80
3.1. Информационные аспекты имитационного моделирования 80
3.2. Алгоритмические модели , 83
3.3. Структура адаптивного реле сопротивления 87
3.4. Алгоритмическая модель в базисе фазных координат 90
3.5. Алгоритмическая модель в базисе симметричных составляющих 93
3.6. Неявная алгоритмическая модель 94
3.7. Информационные сопротивления 96
3.8. выводы 101
Глава 4. Информационные аспекты распознавания в приложении к защите дальнего резервирования 103
4.1 .Традиционное исполнение защит дальнего резервирования 103
4.2. Имитационная модель линии с ответвлениями 113
4.3. Алгоритмическая модель объекта дальнего резервирования 118
4.4. Формирование замера сопротивления алгоритмического реле сопротивления 121
4.5. Уставочные характеристики защиты дальнего резервирования 123
4.6. Реализация защиты дальнего резервирования "Бреслер-ОЗОГ 135
4.7. Апробация защиты дальнего резервирования 146
4.8. Выводы 148
Заключение 150
Литература 156
Приложение 1.
- Синтез модели ЛЭП в базисе симметричных составляющих
- Характерные точки годографа сопротивления
- Структура адаптивного реле сопротивления
- Формирование замера сопротивления алгоритмического реле сопротивления
Введение к работе
Переход на микропроцессорную платформу привел к концептуальным изменениям в теоретических основах релейной защиты [1]. В них обозначались два принципиально важных раздела: имитационное и алгоритмическое моделирование контролируемых объектов. На стыке двух разделов находятся вопросы, связанные с информационной базой релейной защиты. Предполагается эффективное использование всей доступной информации: априорной, текущей и апостериорной. Интеллектуализация алгоритмов заключается в придании им способности к адаптации, оптимизации и обучению [2]. Изменилась и сама интерпретация дистанционного принципа, что позволяет говорить об эволюции его концепций, задач и понятий. Новые алгоритмы, обобщаемые ниже, обладают способностью привлекать для распознавания аварийных ситуаций всю доступную информацию о контролируемом объекте, используя её не только полно, но и оптимально. Вводятся понятия о мере информации и ее ценности, исчисляемых количеством и сложностью оцениваемых параметров имитационной модели объекта (ИМО), а также о функционалах и критериях качества алгоритмической модели объекта (АМО).
Качество имитационных моделей определяется количеством ограничений, накладываемых при моделировании энергообъекта. Например, метод симметричных составляющих предполагает полную симметрию линии электропередачи (ЛЭП), что не выполняется на практике. В информационном плане более точным является базис фазных координат позволяющий учесть реальную несимметрию ЛЭП, и такие ее особенности как транспозиция, редкозаземленные грозозащитные тросы и т.д. Предлагаемый инструментарий имитационного моделирования использует базис фазных координат и теорию многополюсников для создания компактных моделей элементов энергосистемы и их эквивалентирования.
Кроме моделирования установившихся режимов энергосистем, для РЗА остается актуальным вопрос о влиянии составляющих переходных процессов на устойчивость алгоритмов фильтрации и защиты в целом. Традиционно существуют два принципиальных подхода к построению динамических имитационных моделей: методы численного интегрирования дифференциальных уравнений («ЕМТР», «ARENE»), которыми описывается каждый элемент модели [3, 4] и метод, использующий базис компонентов свободного процесса («Большая модель» - ЭКРА[5], Динамика, «MEMPhlS -Model of Multi Phase Imitation System» - ЧувГу). Последние методы более информативны, так как позволяют оценить спектральный состав сигналов имитационной модели [6]. Точно зная спектральный состав сигнала, поступающего от ИМО, можно оценить качество алгоритмов цифровой обработки электротехнических сигналов.
Алгоритмическая модель, являясь системой обработки информации, ассоциируется с релейной защитой и автоматикой. В отличие от имитационной модели ее вряд ли стоит уподоблять физическому объекту хотя бы по той причине, что на ее зажимах могут быть известны одновременно и ток, и напряжение, между тем как их невозможно подать совместно на одни и те же зажимы испытуемого объекта. Информационное обеспечение алгоритмической модели создается из априорных сведений о структуре и параметрах имитационной модели [7]. Алгоритмической модели возможно потребуются не все пассивные нормальные параметры имитационной модели, а только определенная их часть. Назовем ее информационной. К остающейся неинформационной части относятся, например, параметры системы "за спиной" при отсутствии обходных связей между сторонами линии электропередачи. Будучи наделена интеллектом, алгоритмическая модель объективно заинтересована (как оптимальная система, стремящаяся доставить минимум целевой функции) в знании всех без исключения информационных параметров, но вправе, однако, рассчитывать лишь на ограниченную их часть [8].
Взаимодействие двух моделей имитационной и алгоритмической открывает широкие возможности развития одного из основных принципов РЗА - дистанционного, центральное место в обновленной теории занимает оптимальное использование информации. Владея априорной информацией о защищаемом объекте, используя принципы адаптации и новые возможности, предоставляемые микропроцессорной техникой в плане получения и хранения текущей информации, можно существенно улучшить качество существующих дистанционных защит.
Одной из них является защита дальнего резервирования защит трансформаторов на отпайках. Для обеспечения дальнего резервирования в настоящее время считается обязательной установка на линиях 110 кВ и выше с двух- и многосторонним питанием трехступенчатых дистанционных защит от междуфазных замыканий независимо от полноты ближнего резервирования защиты. Осуществить защитами линий дальнее резервирование при КЗ в трансформаторе отпайки (в случае отказа срабатывания его защиты или выключателя со стороны высшего напряжения, а при отсутствии последнего - отказа короткозамыкателя или устройства передачи отключающего сигнала) в общем случае еще более затруднительно, чем при КЗ на линиях. Это связано с ограниченными возможностями достижения необходимой чувствительности защит линий и обусловлено тем, что нагрузка линии, определяющая параметры срабатывания последних ступеней защиты линий 110-220 кВ, в большинстве случаев значительно превышает номинальную мощность трансформатора отпайки.
Из информационного письма департамента науки и техники РАО "ЕЭС России" ИП-1-96(Э):
"В последние годы увеличилось количество отказов основных защит или коммутационных аппаратов (короткозамыкателей, отделителей), особенно на тупиковых подстанциях напряжением 6-110 кВ, и, как следствие, число повреждений силовых трансформаторов...
Существующие типовые проектные решения не обеспечивают в полной мере дальнее резервирование действия устройств РЗА ВЛ 6-110 кВ и питающихся от них силовых трансформаторов в случае присоединения к линии двух трансформаторов и более. Даже в случае присоединения к тупиковой линии одного трансформатора невозможно обеспечить чувствительность защиты линии к возникшему короткому замыканию за трансформатором (в том числе для трансформаторов большой мощности) при наличии реагирования линий на стороне низшего напряжения.
Следует отметить, что типовые проектные решения прошлых лет в ряде случаев не позволяют обеспечить в полной мере надежное ближнее резервирование действия защит при коротких замыканиях на стороне низшего напряжения силовых трансформаторов 110/6-10 кВ
В дополнение к цитированному необходимо заметить, что наличие ближнего резервирования не исключает необходимости в дальнем резервировании на случай отказа коммутационной аппаратуры отпаек. К тому же дальнее резервирование может быть экономически выгоднее ближнего, особенно для линий с большим числом отпаек.
На данный момент этот вопрос стоит особенно остро, т.к. характеристики срабатывания реле сопротивления дистанционных защит рассматриваемых линий, выпускаемых до последнего времени, имеют сравнительно невысокие максимальные уставки и не могут смещаться в первый квадрант комплексной плоскости; возможности охвата этими характеристиками, имеющими вид окружности или эллипса, КЗ за трансформаторами, особенно двухфазных на стороне треугольника, невелики; на линиях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях с одной точкой питания влияние подпитки приводит к снижению чувствительности традиционных защит [9].
Для проведения сравнительного анализа разработанной защиты и уже существующих технических решений необходимо проанализировать и сопоставить их чувствительность. Следует отметить, что анализ проводится между комплексами защит и отдельным устройством, конкретно предназначенным для резервирования защит отпаечных трансформаторов, традиционно же эта проблема решается в комплексе с общими задачами дальнего резервирования ЛЭП, как правило, с помощью высших ступеней различных защит, предназначенных для резервирования не только защит отпаечных трансформаторов, но и защит смежных подстанций.
В настоящее время предложен ряд технических решений, эффективность которых можно оценить по коэффициенту равному К эф =SmpaH3JSmp. гДе SmpaH3. " мощность перетока по защищаемой линии, S - мощность защищаемого трансформатора, при котором обеспечивается выявление режима КЗ за трансформатора (распознаваемость) [10]. Рассмотрим возможность осуществления дальнего резервирования защит отпаечных трансформаторов с помощью высших ступеней следующих защит: максимально - токовые защиты (МТЗ), дистанционные защиты с круговыми (ДЗк), эллиптическими (ДЭэл) и многоугольными (ДЗмн) характеристиками в комплексной плоскости традиционного замера сопротивления, реле тока обратной последовательности. Кроме перечисленных защит, существуют технические решения, не получившие в настоящее время широкого практического применения, например: реле тока реактивной составляющей (РТРС), реле направления мощности с "узкой" угловой характеристикой (РНМу). Т.к. данные варианты защит не получили широкого распространения, то они не рассматриваются при анализе эффективности.
Максимально-токовая защита должна выполнятся, как правило, в трехфазном исполнении, так как в противном случае возможно снижение ее чувствительности при трехфазном КЗ за трансформатором с группами соединений "звезда-треугольник". Ток срабатывания данной защиты определяется по условию отстройки от максимально-нагрузочного режима. Из этих же соображений выбирается устава реле сопротивления дистанционной защиты.
Применение фильтровых защит на основе реле тока обратной последовательности имеет ограничение из-за их неработоспособности при переходе двухфазного КЗ в трехфазное. Поэтому данная защита должна применятся совместно с другой защитой, работающей при симметричных КЗ. Ток срабатывания реле тока обратной последовательности определяется несколькими составляющими, а именно погрешностью трансформатора тока, погрешностями фильтра обратной последовательности, несимметрией защищаемой сети.
При анализе чувствительности указанных выше защит принято допущение, что при КЗ за трансформатором на ответвлениях ЛЭП напряжение со стороны питающей подстанции снижается не более чем на 5- 10%, т.е. сопротивление системы составляет не более 10% сопротивления трансформатора максимальной мощности данной линии. Дня первичного анализа традиционных защит дальнего резервирования выберем на простом примере линии с односторонним питанием наиболее чувствительную защиту по обозначенному выше критерию отношения мощностей. Значение тока при трехфазном КЗ за трансформатором минимальной мощности STp.min ДЛЯ линии с односторонним питанием равно: Win =ЇЛ..™ В.„), где S-rpmin - минимальная мощность трансформатора подстанции на ответвлении рассматриваемой линии; икз.тах - максимальное напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах; U -номинальное линейное напряжение на шинах подстанции в месте установки защиты.
Расчетные выражения для определения параметров срабатывания перечисленных выше защит следующие: 1. МТЗ ICP =KOK.K3Sz/( j3U). « 2. ДЗкр Zcp = л/ЗС2 l\S-gK3K0TCKm cos A pt).
3. ДЗэл ZCP = J3U2/Sx(c2 + S2lf}2)/(АГ07сА:адэС).
4.РТОП І2СР =К3Котс(є/3 + КгА/7 JЧЛФ+ „•)//„,,„,„.
. 5. дзмн zCP = u4sz{- sin „-.„,„ 90 - )+cos pHr mta )/( ., ),
где Коте, Кз, KB - коэффициенты отстройки, запаса и возврата, равные соответственно 1.2; 1.5-1.7 и 0.8 (по данным [9, 11, 12]); . - мощность нагрузки (перетока) в максимальном режиме; Д# , = q m - рНГті„; ермц - угол максимальной чувствительности; рНГгоіл - минимальный угол нагрузки; Квдз = 1.05 - коэффициент возврата дистанционной защиты; fi = b/c, b - малая полуось эллипса, с - большая полуось эллипса ((3 изменяется от 0.5 до 1.0); С софю-Рнг.тп) 3 = Н Рич- Рнг.ть)1 У - 5™ наклона правой стороны многоугольной характеристики дистанционного органа; q TPmir] - угол между током и напряжением при КЗ за трансформатором минимальной мощности; - полная погрешность трансформатора тока; Kf - частотный » коэффициент фильтра тока обратной последовательности; А/"- отклонение частоты сети от номинальной частоты; КСт - коэффициент учитывающий
НеСИММетрИЮ В ТОКЄ; Кч - Коэффициент ЧуВСТВИТеЛЬНОСТИ ЗаЩИТЫ; /ялтах максимальное значение тока нагрузки ЛЭП.
Коэффициент эффективности можно определить по выражению Кэф = SX/STPm]n и он должен быть больше единицы для надежного выявления КЗ за трансформатором. Данное соотношение показывает кратность максимальной суммарной нагрузки (перетока) защищаемой линии к минимальной мощности трансформатора при КЗ, за которым резервная защита чувствительна. Расчетные выражения и численные значения коэффициентов эффективности приведены в таблице.
Численные значения коэффициента эффективности определено при углах токов нагрузки, изменяющихся от 0 до -30°. Таким образом, наиболее эффективными для целей дальнего резервирования линий с односторонним питанием являются защиты, построенные с использованием реле сопротивления в виде многоугольников и реле тока обратной последовательности. Однако реле сопротивления не лишены недостатков,
заключающихся в значительном падении КЭф при нагрузках с малыми углами, что зачастую присутствует в линиях с двухсторонним питанием (транзитных линиях). При этом коэффициент эффективности резко падает и становится сопоставим с КЭф реле тока обратной последовательности, но при этом сохраняет существенное преимущество по сравнению с последним, т.к. сохраняет чувствительность к симметричным КЗ.
Тип защиты ФОРМУЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ коэффициента эффективности Численное значение МТЗ B TP.min (в К.шт Ч ОТС) 2.4-5.1 ДЗкр cosA p2 /(UKmaK4K3KorcKm3 cosAipt) 2.9-8.2 ДЗэл (с2+s2 / р2)/(кчк3кОТСквдзсик,аа) 7.5-12.2 ДЗмн 11{КчК3КотсКвдзЬиКш1. J(cos рнг - sin p„rtg(90 - у)) 5.2 - 36 РТОП l/((0.028-0.033)t/Kmax Xorc) 2,8-53,5 - А р2= РТр.тт- Рмч
Из всех рассмотренных защит для более подробного анализа выберем дистанционную защиту с многоугольной характеристикой. Проведенная выше оценка эффективности существующих технических решений дальнего резервирования защит отпаечных трансформаторов была проведена для тупиковых линий с заранее наложенными ограничениями, где условия проведения данных мероприятий заведомо благоприятнее, нежели на транзитных линиях. Анализ поведения защит дальнего резервирования для транзитных ЛЭП представляет собой сложную задачу, неразрывно связанную с самими режимами электропередачи. Подобный подробный анализ освещен в отдельном параграфе четвертой главы с привлечением методики объектных характеристик, позволяющих более полно оценить качество новой защиты дальнего резервирования "Бреслер-0301" [13] и традиционной, реализованной на базе дистанционной защиты ШДЭ, третья ступень которой имеет треугольную характеристику, которая по проведенному первичному анализу является наиболее конкурентноспособной.
Целью диссертационной работы является исследование информационных аспектов распознавания замыканий в линиях электропередачи (ЛЭП) и разработка на этой основе защиты дальнего резервирования отпаечных трансформаторов.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований, б приложений. Общий объем работы 203 страницы включает: текст диссертации - 155 стр., список литературы - 10 стр., приложения - 38 стр.
В первой главе рассматриваются вопросы построения имитационных моделей электроэнергетических систем. Особое внимание уделено расчету переходных процессов на основе оптимизационных алгоритмов поиска собственных частот энергосистем [14]. Реализован набор моделей элементов в базисе фазных координат, что позволило снять ограничение о симметрии воздушных ЛЭП и разработать имитационную модель многопроводной системы "MEMPhlS". В заключении приводятся результаты сравнительного анализа двух базисов: фазных координат и симметричных составляющих. Критерием оценки методической погрешности метода симметричных составляющих используется погрешность определения места повреждения (ОМП) [15].
Во второй главе изложены информационные аспекты распознавания места повреждения элементарной передачи. Исследование выполнено при помощи усовершенствованного инструментария годографов сопротивлений. Годографы сопротивлений широко используются в анализе дистанционных защит и локаторов повреждения линий электропередачи. В традиционных задачах рассматривается замер сопротивления Z = OII, где О и/ -измеряемые величины. В задачах, связанных с адаптивными методами распознавания аварийных ситуаций в электрических системах, встречаются сопротивления иного рода, отражающие информацию сразу о двух режимах текущем и предшествующем. Годографам присущи два типа описаний, по-разному отражающих зависимость от аварийных параметров -переходного сопротивления и координаты короткого замыкания. Описание в форме дробно-линейного преобразования переходного сопротивления удобно для выявления характерных точек совокупности годографов, образующих семейство в функции координаты повреждения. Описание в полярной форме удобно для определения точек пересечения, означающих в информационном плане неоднозначность распознавания места повреждения. Труднораспознаваемые ситуации, возникающие при наблюдении электропередачи с приемной стороны, объясняются явлением резистивного резонанса тока - взаимной компенсации положительного переходного сопротивления короткого замыкания и эквивалентного отрицательного активного сопротивления передающей системы [16]. В базисе имитационных моделей подобные ситуации отображаются кривыми нераспознаваемости, устанавливающими предел распознаваемости короткого замыкания при максимально полном использовании той информации, что доставляет одностороннее наблюдение электропередачи в текущем и предшествующем режимах.
В третьей главе рассматриваются алгоритмические модели защищаемого объекта, исследуются их свойства и уравнения алгоритмического наблюдения. Алгоритмическая модель объекта (АМО) представляет собой систему обработки информации, ассоциируясь с релейной защитой и автоматикой, в отличие от имитационной модели, которая ассоциируется с реальным физическим объектом. Основной функцией АМО является объединение информации как в пространстве (объединяется информация о параметрах различных частей защищаемого объекта), так и во времени (объединяется информация о предаварийном и послеаварийном режимах) в единый алгоритмический параметр, идентифицирующий повреждение объекта. В рамках представлений о взаимодействии имитационных и алгоритмических моделей энергообъектов определены понятия об алгоритмическом (виртуальном) реле сопротивления и его уставочных характеристиках. Введена классификация алгоритмических реле в зависимости от месторасположения, где основными являются реле начала зоны (НАРС) и конца зоны (КАРС).
Предложены способы реализации алгоритмических моделей в различных базисах: симметричных составляющих и фазных координат. Подобный поход явно определяет матрицы параметров АМО и синтезирует алгоритмическую модель адекватную одному из множества состояний моделируемого объекта, при этом для всех других состояний ИМО полученная модель не адекватна в той или иной степени. Альтернативой подобной методики является синтез неявной алгоритмической модели, параметры которой задаются в неявном виде, например в виде нейроной сети, и в общем случае могут быть неадекватны ни одному из множеств состояний объекта. Но при соответствующем обучении позволяет свести погрешность АМО вызванную ее неадекватности к минимуму во всем диапазоне изменения параметров.
В четвертой главе дано приложение информационных аспектов распознавания аварийных ситуаций к задачам защиты дальнего резервирования отпаечных трансформаторов. Разработаны алгоритмы адаптивной защиты дальнего резервирования, базирующиеся на теоретических предпосылках, изложенных в предыдущих главах. Основная цель данной разработки - повысить чувствительность существующих дистанционных защит, а именно их третьих (четвертых ступеней), отвечающих за резервирование РЗА смежных объектов.
Задача дальнего резервирования отпаечных трансформаторов представлена в предлагаемом информационном аспекте, как задача взаиморасположения двух режимов: отслеживаемого а - КЗ в трансформаторе или за ним и альтернативного р - рабочий ток линии. Отдельно проработаны вопросы имитационного и алгоритмического моделирования таких объектов как линии электропередачи с ответвлениями.
Проанализированы особенности таких линий, предложена единая эквивалентная модель замещения для различных типов ответвительных подстанций. Разработана методика расчета матриц предаварийного и чистоаварийного режимов, определяющих алгоритмическую модель объекта. Разработаны алгоритмы формирования замера с учетом специфики защищаемого объекта.
Решена задача синтеза уставочной характеристики адаптивной защиты линий электропередачи с отпаечными трансформаторами. Подход к построению уставочных характеристик для адаптивной защиты так же строится на представлениях об отслеживаемых и альтернативных ситуациях на плоскости алгоритмического реле сопротивления. В данном случае альтернативными режимами являются оперативные переключения на линии электропередачи. Рассмотрены и классифицированы основные виды рабочих коммутаций, которые оказывают существенное влияние на область альтернативных режимов. Выведены аналитические кривые, описывающие области альтернативных режимов для различных коммутаций и сделано заключение о крайних режимах, которые ограничивают области отслеживаемой ситуации а. Проведен сравнительный анализ существующей защиты дальнего резервирования на базе шкафов ТТТДЭ и новой защиты по методике объектных характеристик. Доказано повышения качества защиты при использовании принципов адаптации и объединения информации с помощью алгоритмического наблюдения. В заключение приводятся результаты внедрения и натурных испытаний разработанной защиты на базе микропроцессорного контролера "Бреслер - 0301".
Синтез модели ЛЭП в базисе симметричных составляющих
Для расчета трехфазных цепей традиционно используется метод симметричных составляющих (МСС) [19], при этом фазные векторы токов lv и напряжений Uv раскладываются на составляющие прямой tlvl, iv) обратной tlv2, Iv2 и нулевой Х)0, 10 последовательности. где v =А, В, С- обозначение фаз А, В, С.
В общем случае составляются три подмодели моделируемого объекта по прямой, обратной и нулевой последовательности [20]. Обычно ВЛЭП представляют как цепь с параметрами, распределенными вдоль координаты х, линию описывают уравнениями двухпроводных каналов (рис. 2). {7, = 02chyl + l2zcshyl А А 1 (1-2.2) 1 - -) f -. 2 /, = — 02shil + l2chyl ШЧ Щ І І/ І ц/ / 0і / : Рис.2 Участок ЛЭП / - длина лини, где О,, I, - входные напряжения и токи, С2,12- выходные напряжения и токи, Zc = A/Z /ї - характеристическое сопротивление линии, = VZZ - коэффициент распространения, Z ,Z - первичные параметры ВЛЭП (погонное сопротивление и проводимость линии).
Расчет первичных параметров для ВЛЭП приведен в приложении 1. Однородные участки линии напряжением 110 кВ и выше представляют в виде Т, П или V - образной схемных моделей (рис. 3), параметры схемы замещения рассчитываются из (1.2.2). в) V - образная схема замещения.
Предпочтение отдается П-образной схемной модели, так как она имеет меньшее число точек, чем Т-образная, что позволяет снизить размерность системы уравнений, описывающих схему ВЛЭП. Еще более эффективной с точки зрения уменьшения размерности системы является V-образная схема замещения, имеющая всего 2 узла и две ветви. Но на практике расчет V-образной схемы оказался более сложным, так как требовал строгого контроля направления токов при моделировании параллельных линий, поэтому для практического использования и была рекомендована П-образная модель.
Для моделирования симметричных режимов и трехфазных КЗ используется только схемная модель для прямой последовательности, схемы для обратной и нулевой последовательностей применяются для несимметричных режимов (несимметричные КЗ, тяговая нагрузка и т.д.). Комплексная схемная модель, объединяющая все подмодели определяется видом несимметрии (граничными условиями для особой фазы). На рис. 4 представлены комплексные схемы замещения: а - для междуфазного фазного КЗ К ; б - для однофазного КЗ Кт; в - для двухфазного КЗ на землю AT"-", где 1L - эквивалентная ЭДС, Zi,Z2s,Zoz - эквивалентные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно, f - место повреждения, Rt - переходное сопротивление, /і,/2,/0 - токи прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно.
Для расчета комплексной схемной модели используется один из методов матричного анализа электрических цепей: метод узловых потенциалов (МУП), метод контурных токов (МКТ), система уравнений по законам Киргофаи т.д. [21]. На практике чаще используется МУП его важное достоинство - относительная простота формирования уравнений. Наиболее компактно эти уравнения записываются в матричной форме [АШАПОМАГОД- М. (1-2.3) где [А] - матрица соединений (инциденций) графа схемы замещения, [Z] - матрица сопротивлений ветвей (собственных и взаимных), [С] - матрица искомых узловых напряжений относительно базового узла, [Ё] - вектор источников ЭДС ветвей схемы. Решение уравнения (1.2.3) имеет вид: №-(№]- №- №№], M-WWM+M). где [I] - вектор-столбец токов в ветвях. Полученные симметричные составляющие векторов С, и ts позволяют по (1.1.1) определить фазные величины tJv в любом узле и Iv в любой ветви моделируемого объекта. Дальнейшим развитием имитационного моделирования процессов ВЛЭП является переход к базису фазных координат и многопроводным системам, описанный ниже.
Характерные точки годографа сопротивления
Научное направление в области релейной защиты и автоматики электрических систем, получившее наименование дистанционного принципа, подошло к созданию общей теории ещё в середине восьмидесятых годов [41, 47]. Возможности его дальнейшего развития казались ограниченными, но лишь до той поры, пока на передний план в теории и приложениях не вышли информационные аспекты. Они приобрели особое значение в связи с переходом релейной защиты на микропроцессорную элементную базу, распространением регистраторов и программных анализаторов аварийных процессов. Исследования в данном направлении привели к новым способам дистанционной защиты и определения места повреждения линий электропередачи с основным приоритетом от 1989г [48-56]. Изменилась и сама интерпретация дистанционного принципа, что позволяет говорить об эволюции его концепций, задач и понятий. Новые алгоритмы, обобщаемые ниже, обладают способностью привлекать для распознавания аварийных ситуаций всю доступную информацию о контролируемом объекте, используя её не только полно, но и оптимально. Обобщение дается на основе представлений об имитационных и алгоритмических моделях объектов (ИМО и АМО).
Электрическая система характеризуется распределением в пространстве вдоль координаты х. Короткое замыкание происходит в месте повреждения, отмечаемом индексом/и имеющем координату xf. Электрические величины наблюдаются на выводах, отмечаемых индексом s .На одном выводе могут наблюдаться и ток, и напряжение между ним и другим выводом либо только ток, либо только напряжение.
Имитационная модель представляет собой активную линейную систему, переходящую вследствие коммутации (рис.44) от нормального состояния (предшествующий режим) к аварийному (текущий режим). Соответственно, параметры модели подразделяются на нормальные и аварийные. К последним относятся координата места повреждения xf и матрица переходных сопротивлений R. Нормальные параметры заключены в многополюснике, связывающем место наблюдения с местом повреждения. Далее рассматривается установившийся режим основной частоты. Наблюдается векторы напряжений и токов XJS, ls, а в месте повреждения действуют векторы XJj-ylf. Сформируем обобщенный вектор повреждения
Существуют два варианта компоновки вектора наблюдения:
1) Полный вариант с использованием информации о предшествующем режиме в виде вектора V наряду с информацией о текущем режиме в виде вектора Vs. V =ГУ V f. Ts L т$,пд TS,TKJ
Справедливость соотношения (3.1.1) подтверждается следующими соображениями. Разграничим в величинах текущего режима составляющие предшествующего и чисто аварийного процессов V„=V1U + V„. (3.1.2)
Чисто аварийный режим создаётся источниками, действующими из места коммутации. Многополюсник имитационной модели в этом режиме заведомо пассивен, и соотношение V„=Krv„, (3.1.3) справедливо без оговорок. В предшествующем же режиме, когда 1ш=0, (3.1.4) многополюсник имитационной модели находится в режиме холостого хода, и напряжение на его выходе определяется, как правило, только пассивными параметрами 4щ=ку«д- с-1-5)
2) Усеченный вариант, при котором вектор наблюдения ограничивается только информацией о текущем режиме, но вектор повреждения имеет заведомо пониженный порядок. Например, при неповрежденной фазе А /=0, (3.1.6) что устанавливает следующее соотношение между токами прямой, обратной и нулевой последовательности в месте повреждения /ИМ _ /ИМ /ИМ / 1 -J\ АП - ЛП АП- \?л-1 В симметричной электропередаче напряжения и токи обратной и нулевой последовательности U,1 ,0 ,1 связаны с вектором Vs пассивным многополюсником; напряжение прямой последовательности tJ, как правило, тоже; исключение составляет ток прямой последовательности t, для определения которого придётся прибегнуть к граничному условию (3.1.7).
Структура адаптивного реле сопротивления
Уставочная характеристика может быть выполнена зависимой от информации, поступающей от имитационной модели.
Классификацию адаптивных реле сопротивления построим исходя из соответствия алгоритмической модели тому или иному месту электропередачи, что отражается зависимостью Км(д;). Значению х = 0 -началу защищаемой зоны - отвечает начальная алгоритмическая модель объекта (НАМО) и начальное адаптивное реле сопротивления (НАРС). Значение х = 13- концу защищаемой зоны - отвечает конечная алгоритмическая модель объекта (КАМО) и конечное адаптивное реле сопротивления (КАРС). Реле контролируют поперечные ветви предполагаемых повреждений (рис. 49). При необходимости могут быть предусмотрены промежуточные алгоритмические модели (ПАМО) и промежуточные адаптивные реле сопротивления (ПАРС), а для защиты отпайки - их разновидности, решающие задачу дальнего резервирования. Соответствующие реле (АРСО) также могут быть привязаны к началу и концу защищаемой зоны, принадлежащей в данном случае отпайке (рис. 49).
Синтез дистанционной защиты предполагает решение следующих задач: а) определение числа и мест привязки адаптивных реле сопротивления, б) синтез алгоритмической модели для каждого реле, В) Выбор ВИДа форМИруеМЫХ СОПрОТИВЛеНИЙ 2Вых » г) построение уставочной характеристики каждого реле.
В основу классификации моделей положим применяемый координатный базис. Самый общий - фазные координаты, с разделением процесса на до аварийный и чисто аварийный, что предполагает использование пускового органа. Менее общий, но зато не связанный с пусковым органом, - базис симметричных составляющих. В данном разделе рассматривается пассивная модель чисто аварийного режима. Пусть s, g и q - числа проводов, соответственно наблюдаемых, поврежденных и неповрежденных, так что s = g + q. Допустим, на каждом проводе наблюдается и ток, и напряжение.
Тогда матрица K = K"", связывающая 24-мерный выходной вектор Vg с 23-мерным вектором наблюдения V,, имеет размерность 2q х 2s. Предполагается что режим неповрежденных проводов либо вовсе не представляет интереса, либо анализируется уже после оценивания вектора Vg. Возможны два подхода к синтезу матрицы К:
а) Число q не определяется, и вне зависимости от состояния линии полагают q = s. Тогда квадратная матрица К совпадает с матрицей обратной передачи В размерности 2s х 2s В = А , (3.4.1) где А- матрица прямой передачи такой же размерности.
б) Число q определено или задано в качестве подлежащей проверке гипотезы, т. е. q = s-g 0. Пусть Vg и V - векторы поврежденных и неповрежденных проводов, расположенные в соответствующей последовательности
Применение данного базиса ограничивается несимметричными режимами, кроме того, он предполагает симметрию собственно линии. Это можно было бы считать его недостатками, если бы они не окупались с лихвой одним достоинством - опорой на такие информационные факторы, которые присутствуют в текущем режиме постоянно и никак не связаны с фактором пуска. Базис симметричных составляющих, дополненный граничными условиями при различных видах несимметричных коротких замыканий, будем считать второй стороной дистанционного принципа, органически дополняющий первую сторону - доаварийные и аварийные составляющие. Пусть VsAl =IUsAl,IsAl] , VsA2 =[UsA2,IsA2] векторы составляющих прямой и обратной последовательности наблюдаемых величин фазы А, V =[U ,i ]1 вектор нулевой последовательности. Модели обратной и нулевой последовательности осуществляют преобразования VqA2 =[UcA2,IcA2]T =KVsA2, Vqo = IUd.,id)]T=KoVso, где К = В и Ко = Во - коэффициенты передачи прямой (обратной) и нулевой последовательностей. Предполагается, что напряжение прямой последовательности может быть определено столь же просто ff i= filial+&24„. (3.5.1)
но ток прямой последовательности непосредственно через входные величины определить не удастся, так как для него алгоритмическая модель не может считаться пассивной. Будем определять ток прямой последовательности ї м по граничным условиям, рассмотрев различные их варианты.
а) Не повреждены фазы В и С — условия (3.1.8), следствия (3.1.9), (3.1.10). Если нет оснований предполагать в электропередаче какую-либо несимметрию, кроме короткого замыкания, то можно было бы выразить не только прямую, но и нулевую последовательность тока повреждения через ток обратной последовательность, полагая / =3/ . (3.5.2)
Отказ от использования автономно определенного тока нулевой последовательности lg0 объясняется более высокой степенью неадекватности модели нулевой последовательности реальному объекту, чем это имеет место по обратной последовательности, б) Не повреждена фаза В. Аналогично (3.1.6), (3.1.7)
Формирование замера сопротивления алгоритмического реле сопротивления
Кроме АМО объекта в АРС входит формирователь алгоритмического замера сопротивления, который объединяет информацию о токах и напряжениях различных режимов (предаварийного и чисто аварийного) в единый алгоритмический параметр - замер текущего сопротивления ZAPC В месте предполагаемого повреждения. Специфика защищаемого объекта (отпаечного трансформатора) такова, что возможны только два вида повреждения на низшей стороне трансформатора - междуфазное и трехфазное замыкания, т.е. можно рассматривать аварийные процессы только для безнулевых составляющих. В защите предусмотрен отдельный формирователь сопротивления для каждого вида КЗ.
Для трехфазного КЗ замер сопротивления формируется как = (4.4.,.) л при условии, что в нормальном режиме нет тяговой нагрузки (7 «О,С?" «0). Если в линии предусмотрена тяговая нагрузка, то учитываются составляющие обратной последовательности
Для междуфазного КЗ формируются три междуфазных замера сопротивлений Zlpc =[ZbZZZZ Например, для КЗ фаз В и С (К(в,с)) в линии с тяговой нагрузкой с использованием граничных условий 7"у = -0if, /"/ = —l?2f имеем в базисе симметричных составляющих: 07 = аО;;, + aOZf + aOf4 + аП% = Щ(а - а2)+ягО + ,# = = / + 5+42. следовательно, =(a-e2)(2 /+ - )=; C7 + f;g/- ), /1? = 2А7(а-а2) = у273/27. Замер междуфазного сопротивления фаз В и С 7тк _ Uв -Ус _ шіщГ+иг г uw ГАА1Л 1B 1C z 2af Междуфазные сопротивления для К АВ) и К ЛС) определяются аналогично (4.4.2.) laf laf ifU\af . -л2ҐТт 011ий 4- ГУ"31 _л/7вд (4.4.3.) Для линии без тяговой нагрузки расчет алгоритмического замера упрощается, т.к. U!f = О, 0 = 0f, lfaf = lf, отсюда 2Ґ/ТК ТУ 2ҐГШ -1У" п2 ТІІТК -ҐГ W "W za « , z7c= z,m (4А4-) 4.5. Уставочные характеристики защиты дальнего резервирования.
Для построения уставочной характеристики необходимо определить на плоскости АРС область отслеживаемой ситуации (режимы а) и альтернативных ситуации (режимы Р) [71 - 74]. Под режимами а понимаются все КЗ в зоне действия защиты - в отпаечном трансформаторе на стороне тш Уставочная I характеристика АРС Защищаемый трансформатор Нагрузка Ветвь предполагаемого повреждения Рис.72. Расположение АРС (а) и его уставочная характеристика при идеальной АМО (б).
НН. Альтернативными ситуациями для адаптивной защиты, реагирующей на изменения режима, являются рабочие коммутации в энергосистеме оперативные переключения. Соответственно для каждого вида повреждения (К 21, К(3)) строится отдельная уставочная характеристика. При установке АРС по схеме рис.72.а и при идеальной АМО, адекватной реальному объекту, область режимов а выглядит так, как показано на рис.72.б. На практике модель не адекватна объекту, что в свою очередь приводит к смещению замера и соответственно к расширению области наблюдаемых режимов рис. 73. Это может быть вызвано изменением нагрузки трансформатора, оперативными переключениями на смежных объекта или изменениями параметров самого трансформатора (например, при изменении положения РПН). В данном алгоритме используется линейная аппроксимация сложной области наблюдаемых режимов четырехугольником в целях упрощения операции определения попадания замера АРС в область, ограниченную уставочной характеристикой (уставочная область). Для каждого из состояний защищаемого объекта строится уставочная характеристика по четырем опытам КЗ.
Похожие диссертации на Информационные аспекты распознавания коротких замыканий в линиях электропередачи в приложении к защите дальнего резервирования
