Содержание к диссертации
Введение
1. Информационный анализ линии электропередачи при её наблюдении с одной стороны 8
1.1 Условия нераспознаваемости коротких замыканий 9
1.2 Явление неопределённости 10
1.2.1 Универсальность явления неопределенности 11
1.3 Явление неопределённости при несимметричных замыканиях 13
1.4 Междуфазное замыкание 16
1.5 Однофазное замыкание 16
1.6 Двухфазное замыкание на землю 17
1.7 Условия неоднозначности 19
1.8 Рапознаваемость зоны замыкания в линии электропередачи 21
1.8.1 Условия нераспознаваемости в базисе симметричных составляющих 23
1.8.2 Эквивалентирование имитационной модели электропередачи 26
1.9 Результаты информационного анализа 30
1.9.1 Однородная линия электропередачи 31
1.9.2 Неоднородная линия электропередачи 32
1.9.3 Линия электропередачи с обходными связями 34
1.10 Выводы 36
2. Распознавание повреждений в линии электропередачи при её наблюдении с одной стороны 38
2.1 Информационный анализ традиционных алгоритмов защиты 41
2.1.1 Распознающие свойства фазового селектора 41
2.1.2 Информационный анализ реле сопротивления 43
2.1.3 Информационный анализ токовой защиты 56
2.2 Дистанционная защита на базе виртуальных реле 58
2.2.1 Имитационные и алгоритмические модели 59
2.2.2 Виртуальные реле 62
2.2.3 Дистанционная защита 64
2.3 Дистанционная защита серии «Бреслер» 71
2.3.1 Однофазное замыкание 73
2.3.2 Двухфазное замыкание на землю 75
2.4 Выводы 78
3. Основная защита линий электропередачи с ответвительными подстанциями 79
3.1 Погрешности при измерении токов 81
3.2 Распознаваемость замыканий 82
3.2.1 Распознаваемость на основе токовой информации 83
3.2.2 Распознаваемость замыканий с привлечением напряжений с одной стороны линии электропередачи 85
3.3 Исследование традиционных способов защиты линии с отпайкой .89
3.3.1 Алгоритмы продольной защиты линии 89
3.3.2 Способ отстройки от замыканий за ответвлениями 94
3.4 Высокочувствительное реле сопротивления для отстройки от замыканий за ответвлениями 96
3.5 Выводы 98
4. Информационный анализ линии электропередачи в неполнофазном режиме 100
4.1 Моделирование линии в неполнофазных режимах 101
4.1.1 Моделирование установившихся режимов 101
4.1.2 Моделирование переходных процессов 107
4.2 Защита линии в неполнофазных режимах 110
4.2.1 Токовые защиты 111
4.2.2 Дистанционная защита линии 112
4.2.3 Защита на базе виртуальных реле 116
4.3 Фиксация факта погасшей дуги в цикле ОАПВ 119
4.3.1 Отслеживаемы и альтернативные режимы 119
4.3.2 Распознаваемость замыканий в неполнофазном режиме 120
4.3.3 Орган фиксации погасания дуги в цикле ОАПВ 121
4.4 Универсальный фильтр ортогональных составляющих 126
4.4.1 Интервальный одноканальный фильтр ортогональных составляющих 126
4.4.2 Интервальный многоканальный фильтр ортогональных составляющих 130
4.4.3 Подавление экспоненциального сигнала 134
4.4.4 Выделения сигнала основной частоты на фоне колебательного переходного процесса 136
4.5 Выводы 137
5. Заключение 138
6. Используемая литература
- Условия нераспознаваемости коротких замыканий
- Информационный анализ традиционных алгоритмов защиты
- Погрешности при измерении токов
- Моделирование линии в неполнофазных режимах
Введение к работе
Интерес к различным аспектам объединения информации, т.е. к созданию единой информационной базы, возник в релейной защите 60 лет тому назад и привёл к изобретению многофазных (односистемных) реле, которые преобразуют информацию, полученную от различных фаз сети, в одну выходную величину [1-3]. Однако развитие этих идей сдерживалось возможностями прежней элементной базы. Современная микропроцессорная техника снимает прежние ограничения.
Появившаяся принципиальная возможность повысить информационные свойства микропроцессорной защиты до физически достижимого уровня высветила ряд актуальных информационных задач [4-6]; возникли вопросы, теоретическое и прикладное значения которых неразделимы. Важнейшие из них:
какова распознаваемость коротких замыканий в электрических системах;
насколько близка к ней распознающая способность известных алгоритмов релейной защиты;
как следует объединять всю имеющуюся информацию, чтобы приблизить распознающую способность защиты к распознаваемости повреждений.
Перечисленные вопросы и вытекающие из них задачи были поставлены в докладе ИЦ «Бреслер» на семинаре компании «ABB Automation Technologies» (Вестерос, Швеция) в 1995г. Тогда же было решено провести совместные теоретические исследования и прикладные разработки с целью обнаружения перспективных алгоритмов для защит нового поколения [7,8].
Будучи студентом третьего курса, автор присоединился к исследовательской группе в 2000г. и был вместе с А.Н. Подшивалиным подключён к разработке инструмента решения информационных задач релейной защиты, названного информационным анализом [9,10].
Работа выполнялась в рамках совместной исследовательской работы ИЦ
«Бреслер» и компании «ABB Automation Technologies» по теме «Высокочувствительная защита коротких линий». В ходе работы было установлено, что распознающие свойства защиты ограничены в первую очередь не погрешностями измерения электрических величин, а физическим свойством самого объекта. Результатом работы явилось создание высокочувствительной дистанционной защиты линий электропередачи с предельно возможной распознающей способностью. Дальнейшие работы были также связаны с информационным анализом линии электропередачи. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору, д.т.н. Ю.Я. Лямецу и научным консультантам: главному специалисту ООО «АББ Автоматизация», к.т.н. с.н.с. Г.С Нудельману, ведущему специалисту «ABB Automation Technologies» магистру Люблянского университета Янезу Законыпеку (Janez Zakonsek), к.т.н., начальнику отдела РЗА ИЦ «Бреслер» Ефремову В.А.
В первой и второй главах диссертации рассматривается применение информационного анализа к решению ряда актуальных задач релейной защиты. Первая из них - создание дистанционной защиты, чувствительной к замыканиям через большие переходные сопротивления [11-14]. Существующие алгоритмы не в состоянии использовать всю доступную информацию в полном объёме, отсюда их относительно невысокая распознающая способность [15, 16]. С практической задачей связана теоретическая — анализ распознаваемости зоны замыканий при одностороннем наблюдении линии электропередачи (ЛЭП). Важно знать, насколько близка к распознаваемости распознающая способность известных и разрабатываемых защит. Распознаваемость — физическое свойство объекта. Определить распознаваемость - значит узнать границу между отслеживаемыми режимами, на которые должна реагировать релейная защита, и альтернативными режимами, на которые релейная защита не должна реагировать ни при каких обстоятельствах. В третьей главе рассматривается основная защиты линии электропередачи с мощными
7 ответвлениями. Информационный анализ существующих предложений показал, что они приспособлены к линиям без ответвлений, а выход из положения путём передачи информации о токах в ответвлениях не всегда возможен. Добавление реле сопротивления незначительно улучшает ситуацию. Необходимо располагать такими решениями, которые позволяли бы обходиться информацией, получаемой с двух сторон линии, но не с ответвлений. Из данной технической задачи в свою очередь вытекает общетеоретическая задача определения распознаваемости замыканий на линии с ответвлениями при её двухстороннем наблюдении. Автор благодарен ведущему специалисту ООО «ABB Автоматизация» магистру ЧТУ Шапееву А.А. за проявленный интерес к работе и ценные замечания
В четвёртой главе проводится информационный анализ линии электропередачи и способов её защиты в неполнофазных режимах в цикле однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ). Показано, что алгоритмы, используемые в настоящее время, не обеспечивают необходимой чувствительности или селективности. И напротив, предложенный автором алгоритм дистанционной защиты обеспечивает необходимую распознающую способность. Помимо алгоритмов защиты линии рассматриваются задачи ОАПВ. Особое внимание уделено распознаванию погасания дуги в той фазе ЛЭП, которая была отключена после однофазного короткого замыкания.
С перечисленными задачами связаны проблемы создания информационной базы РЗА. В диссертации рассматриваются алгоритмы, использующие ортогональные составляющие электрических величин, в связи с чем исследуются фильтры ортогональных составляющих и предлагается новая структура, работающая на произвольном окне наблюдения и с произвольной моделью входной величины, в том числе и в условиях недоопределённости. Приведены примеры подавления свободного переходного процесса известной частоты и затухающей экспоненциальной составляющей. Тем самым сделан шаг в направлении информационного анализа процессов в электрических системах.
Условия нераспознаваемости коротких замыканий
В главе рассматриваются вопросы распознаваемости зоны повреждения в линии электропередачи (ЛЭП) при её наблюдении с одной стороны.
Проблема распознаваемости обязана своим происхождением явлению нераспознаваемости. С нераспознаваемостью некоторых коротких замыканий пришлось столкнуться в ходе разработки локатора повреждения линии электропередачи [17,18]. Изучение этого явления привело к выводу о том, что оно принадлежит к числу физических свойств наблюдаемого объекта, а наблюдатель со своей ограниченной информационной базой ничего с этим поделать не может. Следствием стал принцип информационного совершенства релейной защиты, ставящий задачу повышения распознающей способности до того предела, который устанавливается явлением нераспознаваемости [19]. Разработан инструмент исследования подобных явлений, получивший название информационного анализа [9,20-23]. Очерчен круг задач релейной защиты, решаемых с его помощью [24-27]. Выяснилось, что информационный анализ объединяет в одно целое задачи собственно защиты с задачами локации, селекции, фильтрации и сегментации [28].
Настоящая глава посвящена явлению нераспознаваемости места и зоны короткого замыкания в произвольном объекте, характеризуемом линейной информационной моделью и наблюдаемом в синусоидальных режимах до и после замыкания. Как будет показано, нераспознаваемость существует в двух ипостасях. В наиболее резкой форме - в виде явления неопределённости, когда на равных основаниях можно подозревать замыкание в любом месте объекта. В более мягкой форме - в виде явления неоднозначности, когда неразличимы замыкания в двух, по меньшей мере, местах. Удалось найти общие закономерности, приводящие к нераспознаваемости, приводящие к нераспознаваемости. Они проистекают из свойств электрической системы, эквивалентируемой относительно места замыкания.
Условия нераспознаваемости коротких замыканий
Информационная база релейной защиты состоит из априорной информации об объекте и векторов Vnp и V - замеров электрических величин в предшествующем и текущем режимах. Априорная информация может быть представлена в виде имитационных моделей объекта с варьируемыми объектными параметрами: нормальными х м и аварийными Хг и Rf - координатой места повреждения и переходным сопротивлением короткого замыкания. Замеры являются функциями объектных параметров. Вектор Упр(хнорм)не зависит от аварийных параметров, вектор V_(xj-,Rf,xm ) находится под влиянием всех параметров, то же и вектор аварийных составляющих: -2_ав\Xf - V Хнорм ) = —\Xf»" У Хнорм) J-pr ЧХнорм/ Условие абсолютной нераспознаваемости отслеживаемых а —режимов от альтернативных им Р - режимов принимает вид равенств: -2-anpVXH0pM/ — рпр\Хнорм U U Yaae \Xf У Rf»Хнорм j = Храв \Xf / Хнорм ) (1-2)
Если решается задача локации, то накладывается единственное ограничение Хур Ф xfa при идентичных функциях VaaB и VpaB. В задаче защиты функции VaaB и VpaB могут совпадать, тогда координата х выносится за пределы защищаемой зоны. Если же функции различны, то подобного ограничения не существует (например, 0- режим, представляющий собой замыкание на параллельной линии).
Нераспознаваемость отслеживаемой ситуации констатируется в том случае, если условия (1.1) и (1.2) выполняются для каждой из наблюдаемых величин Vnp и V - элементов вектора Vnp и V. Ключевая роль в признании ситуации нераспознаваемой принадлежит условию (1.2). Что же касается условия (1.1), то для его выполнения достаточно сделать предположение о возникновении всех текущих режимов после одного и того же предшествующего режима Vnp, т.е. при ханорм =хрнорм. Это не единственная, но наиболее очевидная возможность распорядиться информацией о предшествующем режиме. В результате вдвое сокращается общее число варьируемых параметров хнорм в равенстве (1.2).
В линейной системе аварийная составляющая произвольной величины имеет описание с явной зависимостью от переходного сопротивления -уравнение годографа
Информационный анализ традиционных алгоритмов защиты
На линии «Амурская-Бурейская» в качестве резервной защиты установлены защиты компании ABB REL521. В данном параграфе исследуются распознающие свойства традиционных алгоритмов защиты линии с относительной селективностью, а также распознающие свойства фазового селектора терминала REL 521.
В ходе стажировки в компании «ABB Automation Technology Products» автором была разработана программа RCALC2, эмулирующая работу дистанционной защиты терминала REL521. Анализ работы фазового селектора производился при помощи разработанной программы.
Рассматривается алгоритм фазового селектора, который используется в защитах REL 521-551 [45]. Он работает с фазными: а также использует ток нулевой последовательности и фазный максимальный токи. На первом этапе работы фазового селектора разделяются земляные и междуфазные замыкания (рис. 2.4).
Далее контролируется поведение замеров Z (2.1)-(2.2) на соответствующих плоскостях и принимается решение о виде замыкания. Фазные замеры сопротивления (фазный канал) предназначены для распознавания земляных замыканий, а междуфазные замеры (междуфазный канал) - для междуфазных замыканий. При двухфазном замыкании на землю срабатывают два фазных канала соответствующих фаз. Для рассматриваемой линии уставки фазового селектора на п/с «Бурейская» приведены в таблице 2.2, а на рис.2.5 приведены уставочные характеристики (уставки приведены к первичным параметрам системы). Для построения объектной характеристики распознавания фазового селектора находилось минимальное не отрицательное значение переходного сопротивления дуги Ry при котором замер Z не принадлежит соответствующей уставочной характеристике: mm (z(x/5i?/5xHopM) Zset) (2.3) "V Анорм Я/(х/) = Rf На рис. 2.6 приведены объектные характеристики распознавания междуфазного, однофазного и двухфазного замыканий на землю. Видно, что распознающие свойства фазового селектора для рассматриваемой линии достаточно велики.
Для распознавания междуфазных и трёхфазных замыканий используется замер: z На плоскости Z строится уставочная характеристика, которая максимально охватывает область замыканий в линии и отстраивается от альтернативных ситуаций. Полученная область задаётся при помощи уставочных характеристик (рис. 2.7), задаваемых окружностью, эллипсом или многоугольником
Здесь рассматривается замер (2.5). Уставочные характеристики защиты строятся исходя из отстройки от альтернативных замыканий и с максимальным охватом замыканий в защищаемой зоне линии электропередачи. Альтернативные режимы для дистанционной защиты: Нагрузочные режимы. Замыкание на линии вне защищаемой зоны; Замыкание «за спиной»; Замыкание в удалённой системе.
На рис. 2.8 приведены области нагрузочных режимов для защиты на п/с «Бурейская». Области нагрузочных режимов соответствуют минимальные сопротивления систем. Область замыканий «за спиной» соприкасается с точкой соответствующей близкому короткому металлическому замыканию - замер реле сопротивления при близких металлических замыканиях в зоне и за спиной равен нулю. Для предотвращения ложного срабатывания защиты в замеры (2.4), (2.5) вводят напряжение предшествующего режима: 0.8С/ + 0.2UT (2.6) -ТК где индексы «тк» и «пр» указывает на соответствие электрических величин текущему и предшествующему режимам.
Погрешности при измерении токов
При замыканиях, на линии могут возникать большие токи короткого замыкания. Вследствие чего трансформатор тока (рис. 3.2) может насытиться. На рис. 3.3 приведен ток короткого замыкания /2 на выходе насыщенного трансформатора тока, снятого с частотой дискретизации 2000Гц. В таблице 3.2 приведены значения полной (є = -ух100%) и токовой //-/, _ -ч погрешностей (/ х 100%) измерения синусоидального тока основной // частоты: при различных временах насыщения dt. Также в таблице приведены погрешности, возникающие при обработке фильтром Фурье сигнала i2(t).
Это угловая погрешность arg jg,/,) и отношение модулей первых ГарМОНИК ТОКОВ /2,50 И ll 1 2,50 1 В главе диссертации рассматриваются синусоидальные установившиеся режимы. Предполагается, что защита использует информацию с выхода фильтра Фурье и не используются алгоритмы восстановления тока, искажённого трансформатором тока. Для упрощенного учёта погрешностей, возникающих вследствие насыщения трансформатора тока, вводится коэффициент К. Оценка тока короткого замыкания фильтром Фурье получается путём умножения первичного приведенного тока на коэффициент К_: L2 L\K- В таблице 3.3 приведены соответствующие различным погрешностям є коэффициенты К с учётом того, что реальной 10% полной погрешности соответствует фазовый поворот около 10 и погрешность по модулю около 10%.
Далее рассматриваются распознаваемость и распознающие свойства ДЗЛ при различных погрешностях 5 в отслеживаемом режиме. Также принято допущение, что при замыканиях за ответвительными трансформаторами, и вне линии полная погрешность є измерения тока составляет не более 10% [66]. В диссертации не рассматриваются способы восстановления тока, искаженным трансформатором тока вследствие того, что они требуют больших вычислительных затрат [67].
Исследование распознаваемости отслеживаемой ситуации является важным этапом информационного анализа. Он позволяет установить информационную ценность наблюдаемых величин, а сравнение распознающей способности защит с распознаваемостью говорит о полноте использования информации алгоритмами, используемыми в этих защитах алгоритмами.
Рассмотрим распознаваемость трёхфазных замыканий в ЛЭП с отпайкой (рис. 3.1). Отслеживаемые режимы (а — режимы) — замыкания в линии (а і и аг). К альтернативным (р - режимам) отнесены замыкания за отпаечным трансформатором (рз) и в системах (Рг и pi).
Пусть наблюдаемыми электрическими величинами являются токи текущего режима с двух сторон линии: вектор замера V = [/s,/r] . При проектировании основных защит энергообъектов стараются обойтись лишь токовой информацией: дифференциальные защиты трансформатора, линий без отпаек, генераторов и др. Тем не менее, это не всегда удаётся. Так для защиты линий сверхвысокого напряжения дифференциально-фазные защиты привлекают информацию о напряжениях.
По определению а-режим нераспознаваем, если ему противостоит такой Ya-Yp Р" режим, что є, где с — малая положительная величина. Объектная характеристика распознаваемости есть функция минимального переходного сопротивления Rfa такого, что замыкание, через него, отличимо от любой р — ситуации с допустимой невязкой є: . (3.1) mm Rfa,mf(xfa) = arg min I dist(Va(xfa,Rfa,x Ka)-Yp(Xp,Kp))J «
В (3.1) К - погрешности преобразования измерительных органов также входят в процедуру минимизации. Погрешности измерения, вызванные насыщением трансформаторов тока не должны приводить к ложным действиям защиты. Также необходимо обеспечить максимально возможную чувствительность защиты к замыканиям даже при больших погрешностях в измерении электрических величин.
Исследования противостояния а- и 0- режимов показали, что замыкание на низшей стороне трансформатора является наиболее опасным с точки зрения распознаваемости. Исследование распознаваемости производилось при помощи минимизации целевой функции (3.1). На рис. 3.4 (графики 1-4) приведены объектные характеристики распознаваемости трёхфазных замыканий для различных значений погрешностей є. Видно что с увеличением погрешности распознаваемость трёхфазных замыканий снижается практически до нуля. Можно сделать вывод о том, что основную защиту линий с использованием лишь токовой информации с фильтра Фурье сделать невозможно. Необходимо либо разрабатывать методы восстановления тока, искажённого трансформатором тока, или же привлекать дополнительную информацию. Например, о токах предшествующего режима или напряжениях с одной или двух сторон линии.
Моделирование линии в неполнофазных режимах
Известны способы моделирования неполнофазных режимов при помощи методов симметричных составляющих [72, 73]. Однако данные схемы сложны в реализации. Более просто неполнофазные режимы моделируются при помощи метода каскадного эквивалентирования [74, 75].
Равенство (4.4) позволяет оценить частоты собственных колебаний в отключенной фазе линии электропередачи. Для поиска собственных частот линии применялась процедура минимизации Нелдера-Мида. На рис. 4.4 приведена зависимость модуля входного сопротивления от частоты для линии «Амуре кая-Бурейская». Конечно, линия имеет бесконечное количество собственных частот, но переходные процессы ярко выражены только на одной частоте. При изменении параметров системы эта частота собственных колебаний изменяется в районе 57Гц. Частота собственных колебаний линии сильно зависит от параметров линии. Так если ёмкостная проводимость линии будет больше на 17%, частота собственных колебаний линии увеличится до 61 Гц. Поэтому для моделирования переходных процессов в линии необходимо знать её параметры как можно точнее. В реальности на такое рассчитывать не приходиться. Параметры могут потребовать уточнения. Одним из таких способов может оказаться анализ переходных процессов, записанных регистраторами в отключенной фазе в цикле ОАПВ. На рис. 4.5 приведена зависимость средней частоты собственных колебаний от длины линии для параметров систем соответствующих рассматриваемой линии.
Переходные процессы в линии электропередачи моделировались при помощи программы Matlab и встроенного в неё пакета Power System Toolbox, который моделирует переходные процессы при помощи методов численного интегрирования.
На рис. 4.6 приведена осциллограмма переходных процессов в напряжении особой фаз линии, полученная при помощи модели. Видно, что в токе отключенной фазы присутствуют биения, возникающие при наложении свободных колебаний и сигнала основной частоты. Спектральный анализ показал, что в полученном сигнале присутствуют частоты свободных колебаний, близкие к частотам реального переходного процесса (рис. 4.18а).
Основной защитой протяжённых линий сверхвысокого напряжения являются дифференциально-фазные защиты (ДФЗ). Но, как известно, ДФЗ может не отработать при коротком однофазном замыкании в неполнофазном режиме [79]. Поэтому, для защиты линии в неполнофазном режиме применяются реле с относительной селективностью: токовые и дистанционные.
Основной особенностью в защите линии в неполнофазном режиме -неизвестное состояние удалённых выключателей. На рис. 4.7 приведён пример удаленного междуфазного замыкания, которое может быть расценено как однофазное замыкание. Поэтому, для защиты от замыканий фаза-земля к альтернативным однофазным на линии добавляются междуфазные и двухфазные замыкания на землю в удалённой системе. Для защиты от междуфазных замыканий - трёхфазные замыкания в удалённой системе. Обычно такие замыкания попросту не рассматривают из-за их сложности, короткого времени существования неполнофазных режимов и отсутствия полноценных решений защиты линии, использующих информацию с одной стороны линии. Ниже будет показано, что, отстраиваясь от этих режимов, распознающая способность традиционной дистанционной защиты снижается очень сильно. Защита же на базе виртуальных реле способна учесть данные альтернативные режимы. Уставка должна выбираться не менее 0.2+0.3 [80] исходя из отстройки от нагрузочного режима.
Токовая защита обладает крайне низкой распознающей способностью. В параграфе в качестве альтернативного режима рассматривается только нагрузочный режим. В редким случаях допускается неселективная работа в неполнофазном режиме, учитывая его сложность и маленькую вероятность повторного замыкания. Для защиты рассматриваемой линии на п/с «Амурская» уставка равна 0.28. Выбранной уставке соответствует объектная характеристика (рис. 4.8), показывающая недостаточную зону охвата.
