Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационные задачи релейной защиты 10
1.1. Развитие принципов распознавания в релейной защите 10
1.2. Основные понятия информационного анализа 17
1.2.1. Прямое преобразование объектного вектора 18
1.2.2. Объектная характеристика 23
1.2.3. Обратное преобразование вектора замера 25
1.3. Информационный принцип систематизации задач релейной защиты 30
1.4. Реле с нарастающей информационной базой 36
1.5. Постановка задачи информационного анализа 40
Глава 2. Информационный анализ дистанционного принципа 46
2.1. Распознаваемость синусоидальных режимов 46
2.1.1. Свойства линейных моделей электрической системы 48
2.1.2. Наблюдение модели с симметричным предшествующим режимом 50
2.1.3. Имитационные модели объектов 51
2.1.4. Особенности однородной модели 52
2.1.5. Годограф металлического замыкания 55
2.2. Распознаваемость зоны и места однофазного замыкания 57
2.2.1. Имитационная модель главного альтернативного режима 58
2.2.2. Объектная характеристика однофазного замыкания в однородной модели 58
Глава 3. Информационный анализ и синтез защит 62
3.1. Информационный анализ релейной защиты 62
3.1.1. Общий алгоритм релейной защиты 62
3.1.2. Свойства уставочного пространства 64
3.1.3. Чувствительность защиты 75
3.2. Универсальный распознающий модуль 76
3.3. Обучение реле и иерархия режимов 80
3.3.1. Эффективность распознавания в релейной защите 81
3.3.2. Реализация принципов универсального реле в терминале дистанционной защиты 84
3.4. Интервал распознаваемости 86
3.4.1. Информационная ценность отсчета 86
3.4.2. Фильтруемость установившегося значения 87
3.4.3. Интервальное уравнение 90
3.4.4. Реле максимального тока 91
3.4.5. Зависимость от частоты дискретизации 93
3.4.6. Показатели информационной ценности 94
3.5. Распознающая способность токовой защиты 96
3.5.1. Трехфазные замыкания в однородной модели 97
3.5.2. Однофазные замыкания в однородной модели 99
3.5.3. Междуфазные замыкания в однородной модели 103
Глава 4. Информационный анализ модуля ОМП 108
4.1. Имитационное моделирование линий электропередачи 108
4.1.1. Методы моделирования линий электропередачи 108
4.1.2. Многопроводная петля 110
4.1.3. Эквивалентирование многопроводных систем 114
4.1.4. Компенсация погрешностей по результатам наблюдения 117
4.1.5. Имитационная модель ЛЭП программного комплекса ОМП 118
4.2. Распознавание места повреждения 122
4.2.1. Интеллектуальные методы распознавания 122
4.2.2. Общий алгоритм распознавания 126
4.2.3. Чувствительность ОМП к заданию объектных параметров 130
4.2.4. Чувствительность ОМП к погрешности выделения информационных составляющих 133
4.3. Программный комплекс определения места повреждения 141
4.3.1. Исходные данные для расчета 141
4.3.2. Алгоритм ОМП 142
4.3.3. Апробация программного комплекса 145
Пример анализа аварийной ситуации 147
Заключение 152
Литература
- Развитие принципов распознавания в релейной защите
- Распознаваемость синусоидальных режимов
- Универсальный распознающий модуль
- Имитационное моделирование линий электропередачи
Введение к работе
Актуальность темы. Год от года ужесточаются требования к надежности и качеству электроснабжения потребителей, что делает все более ответственной роль релейной защиты и автоматики энергосистем и все более актуальной задачу повышения чувствительности и быстродействия защит. Перспектива ее решения связывается с внедрением микропроцессорной техники. Новая элементная база позволяет не только усовершенствовать алгоритмы обработки данных, но и использовать больший, чем это было возможно прежде, объем информации об аварийном состоянии объекта. Совместные исследования компаний ИЦ «Бреслер» (Россия) и «ABB Automation Technologies» (Швеция), выполненные в 1995-2004 гг. (с 2000 г. при участии автора), привели к концепции информационного анализа — метода исследования объектов и средств их защиты. Настоящая работа впервые представляет метод как системный подход к распознаванию, развивая и обобщая аппарат объектных характеристик и положения теории уставок. В теоретическом аспекте метод информационного анализа исследует явления неопределенности и неоднозначности, возникающие при распознавании повреждений в электрических системах; в практическом плане он становится основой для синтеза современных модулей релейной защиты по критерию информационного совершенства. Особенностью информационного анализа является единая постановка задач защиты, локации, селекции, фильтрации и сегментации.
Широкие возможности метода раскрыты в приложении информационного анализа к решению классических задач, связанных с линиями электропередачи (ЛЭП). В силу протяженности и доступности ЛЭП особенно уязвимы со стороны внешних воздействий. Защита линии обязана вовремя устранить опасный режим, а последующее определение места повреждения (ОМП) необходимо для восстановления работоспособности электропередачи. Традиционная реализация этих модулей предусматривает применение дистанционного и дифференциального принципов, развитие которых в диссертации связано, во-первых, с информационным анализом, а во-вторых, с интервальным способом обработки информации при распознавании аварийной ситуации. Обобщение касается и отношения модулей к информационной базе с целью создания структуры, инвариантной к количеству и качеству входной информации. Найденные решения и схемы нашли применение в разработках, выполненных с участием автора: программном комплексе определения места повреждения (ОМП) линий электропередачи (ЛЭП) «DiSAn/Locator» и терминале резервной защиты линий «Бреслер-2606».
Цель работы заключается в построении общего метода исследования распознающих свойств объектов и способов их защиты и в его приложении к задачам определения места и зоны повреждения линии электропередачи. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Разработка методики исследования распознаваемости аварийных ситуаций в электрической системе. Развитие аппарата объектных характеристик как инструмента определения информационной ценности замера, совершаемого устройством релейной защиты.
Разработка методики исследования распознающей способности защит электроэнергетических объектов и применение метода объектных характеристик для их оценки.
Разработка алгоритмов синтеза распознающих модулей релейной защиты по критерию чувствительности к переходным сопротивлениям.
Применение информационного анализа к линиям электропередачи с целью повышения точности ОМП и чувствительности дистанционной защиты.
Разработка методики эквивалентирования имитационной модели электропередачи применительно к задачам информационного анализа.
Научная новизна. Получены результаты в области теоретических основ релейной защиты, относящиеся к проблеме распознавания режимов короткого замыкания (КЗ), имитационному и алгоритмическому моделированию ЛЭП, новизна которых заключается в следующем:
Разработанный метод информационного анализа энергообъектов инвариантен к виду и объему информационной базы, типу решаемой информационной задачи. Получены аналитические выражения распознаваемости замыканий в однородной линии.
Предложены и исследованы универсальные алгоритмы функционирования распознающего модуля релейной защиты в многомерном пространстве и с использованием адаптивной алгоритмической (внутренней) модели.
Предложены и апробированы алгоритмы одностороннего и двухстороннего определения места повреждения воздушных ЛЭП, способные работать с информационной базой различного объема.
Разработаны способы точного и приближенного моделирования многопроводных систем с целью снижения методической погрешности
Практическая ценность результатов работы.
На основе методики информационного анализа релейной защиты разработаны алгоритмы определения места и зоны повреждения воздушных ЛЭП.
Разработан и внедрен модуль программного комплекса ОМП «DiSAn/Locator», производящий интервальную оценку расстояния до места повреждения с опорой на информационный анализ модели ЛЭП.
Синтезирован высокочувствительный алгоритм дистанционной защиты от всех видов замыканий и реализован в микропроцессорном терминале резервной защиты линий 110-220 кВ «Бреслер-2606».
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод информационного анализа и его применение к различным программным модулям микропроцессорной релейной защиты: реле, локаторы, селекторы, сегментаторы и фильтры.
Алгоритмы синтеза модулей релейной защиты на основе произвольной информационной базы и их приложение к задаче определения зоны повреждения ЛЭП.
Способы повышения точности ОМП воздушных ЛЭП сложной конфигурации.
Способ интервального преобразования информации и его применение в информационном анализе.
Благодарности. На всех этапах выполнения работы автор пользовался консультациями к.т.н., с.н.с. Г.С. Нудельмана («АББ Автоматизация») и к.т.н., доц. В.А. Ефремова (ИЦ «Бреслер»).
Структура диссертации. Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе приведена характеристика традиционных способов распознавания аварийных ситуаций на ЛЭП с точки зрения использования информации, предложена классификация задач релейной защиты и поставлена задача информационного анализа. Вторая глава посвящена информационному анализу дистанционного принципа защиты и автоматики; рассмотрена задача распознаваемости зоны и места однофазного замыкания в линии электропередачи. В третьей главе проведен информационный анализ существующих алгоритмов защиты энергообъектов, на основе которого предложены процедуры синтеза реле, обладающих оптимальными по распознающей способности характеристиками. В четвертой главе продемонстрирован информационный анализ модуля ОМП и представлен программный продукт, реализующий разработанные принципы распознавания. Показано, что вопросы имитационного моделирования ЛЭП имеют определяющее значение для повышения точности локации повреждений.
Развитие принципов распознавания в релейной защите
Развитие методов распознавания аварийных ситуаций на электроэнергетических объектах тесно связано с применяемой элементной базой. На примере средств защиты ЛЭП можно проследить общие тенденции совершенствования алгоритмов, что позволит классифицировать задачи релейной защиты и обосновать метод информационного анализа.
Так, первые реле, основанные на электромеханическом принципе, позволяли контролировать нахождение некоторой величины (действующего значения) в заданном диапазоне. Измерительные органы этого типа (реле минимального напряжения, максимального тока), демонстрирующие высокую надежность и не исчерпавшие своих возможностей, обладали, как будет показано ниже на примере максимальной токовой защиты, сравнительно низкой чувствительностью к замыканиям, так как отстраивались от нормальных (нагрузочных) режимов [1]. Объединение при помощи логической схемы в рамках одного органа двух и более простейших реле (например, минимального напряжения и максимального тока), позволило повысить чувствительность, поскольку отстройка от нагрузочных режимов осуществлялась лишь одним из реле [2].
Дальнейшее развитие защит связано с совместным преобразованием нескольких измеряемых величин, как, например, в индукционных реле, реализовавших замер сопротивления и выделивших направление мощности. Основные ограничения таких реле происходили из их электромеханической природы: наличие «мертвых» зон объясняется нечувствительностью реле при малых уровнях токов или напряжений.
Полупроводниковая, а затем и микропроцессорная техника дала
новые возможности релейной защите. Были реализованы более гибкие, в том числе адаптивные алгоритмы, привлекающие информацию о предшествующем режиме и измерения с параллельной ЛЭП или ее удаленного конца. Задачи определения места повреждения и защиты ЛЭП имеют много общего и рассматриваются здесь совместно. Алгоритмы их решения традиционно опираются на дистанционный принцип.
Большинство воздушных ЛЭП высокого напряжения выполнены с эффективно заземленной нейтралью, а потому алгоритмы отыскания на них однофазных замыканий схожи с принципами определения места междуфазных и трехфазных замыканий. Основную информационную ценность представляют компоненты основной частоты установившихся режимов, которые в большинстве существующих программно-аппаратных комплексов ОМП и дистанционной защиты [3,4] пересчитываются в замер сопротивления, величина которого пропорциональна расстоянию до места металлического короткого замыкания (что справедливо в отсутствие подпитки с удаленного конца). Этот алгоритм эффективен на сравнительно коротких однородных концевых линиях без дополнительных индуктивных связей. Замер реле формируется в зависимости от типа обнаруживаемого повреждения и особой фазы: для междуфазных замыканий он представляет собой отношение zAB=(uA-uByaA-iB) где НА —В и LA LB фазные напряжения и токи поврежденных фаз; для однофазных замыканий производится компенсация замера током нулевой последовательности (и, возможно, током индуктивно связанной ЛЭП), например, zA=uA/aA+lo(Zo-Z\VzO где U л к 1А - напряжение и ток поврежденной фазы в месте установки реле; IQ - ток нулевой последовательности, измеренный реле; Zj и ZQ -сопротивления прямой и нулевой последовательностей ЛЭП.
На плоскости замера сопротивления выделяется область (чаще всего аппроксимируемая многоугольником), свободная от замыканий вне зоны желаемого действия. В [3,4] исследованы методические погрешности такого подхода, однако не затронуто влияние нагруженности ЛЭП и подпитки аварии с удаленного конца, которая, как будет показано ниже, является определяющим фактором нераспознаваемости коротких замыканий [5].
Серия специализированных терминалов МИР, МФИ, ФПМ и ИМФ представляет законченные решения, реализующие полный цикл ОМП: регистрацию режимов, фильтрацию, расчет расстояния до места повреждения и интерфейс с пользователем [6-8]. Однако, несмотря на автономность, область применения таких комплексов ограничена небольшим набором конфигураций ЛЭП (малое количество однородных участков, одно или несколько ответвлений), так как электрическая длина ЛЭП до места замыкания оценивается по формулам сопротивления, аналогичным приведенным выше. Информация о замыкании здесь используется неполно, что приводит к снижению точности оценки расстояния по сравнению с другими односторонними методами ОМП. Развитие этого способа в [9,10] связано со статистическим распределением оценки координаты места повреждения при различных условиях. По заданному пороговому уровню вероятности определяют интервал возможных местоположений замыкания. В настоящей работе достигнуто существенное обобщение этого интервального подхода, происходящее из равноценного отношения к параметрам моделей и к результатам измерений.
Распознаваемость синусоидальных режимов
Как отмечалось в первой главе, большинство существующих алгоритмов ОМП и дистанционной защиты ЛЭП оперируют комплексными величинами, относящимися к установившимся режимам работы объекта: а) нормальный (нагрузочный), б) аварийный (короткое замыкание). Это объясняется высокой информационной ценностью такого замера. Строго говоря [14], аварийный режим редко является стационарным, так как сопровождается растущим отклонением частоты системы и изменением интенсивности повреждения. Тем не менее, он принимается установившимся, что, как будет продемонстрировано при расчете реальных процессов, не приводит к опровержению теоретических положений. Таким образом, в общем случае имеется п комплексных величин V,-, образующих обобщенный вектор V (Va(xa) в режиме а и Yp(x«) в режиме р).
Некоторая ситуация а признается нераспознаваемой, если существует вектор Vp, отвечающий принимаемому критерию близости (1.33)-(1.35), в качестве которого выбирается, например, среднеквадратическое отклонение, записываемое для комплексного вектора наблюдения в виде 1 = Xai-Yp, Mmax(V ,Vp2.) (2.1) При информационном анализе ЛЭП объектный вектор целесообразно т записать в форме x=[xf,Rf,Xf,] ; тогда объектная функция распознаваемости двух аварийных параметров атіп( /а -Я/а)= тіп а(ха,хр) = є (2.2) дает неявное описание объектной характеристики распознаваемости Rfasup(xfa) -Явление абсолютной нераспознаваемости (1.28) заключается в совпадении результатов наблюдения отслеживаемого и альтернативного режимов [96,97]: Va ( Ja Rfa ДаЬ )=Yp (хр ). (2.3) Исключая из системы п уравнений (2.3) (и-1) варьируемый параметр, получаем функцию абсолютной нераспознаваемости Л/а(я/їх»ха6»хр)» где ха6 и х р сохраняют неисключенные элементы векторов ха и хр. Искомое описание объектной характеристики распознаваемости (1.36) достигается минимизацией данной функции по всем параметрам, кроме Xfa: %sup( /a)= ,min, Rfa(xfa ab xft- (2,4) xcc6 xp
В рассматриваемых режимах электрическую систему можно считать линейной системой, в которой применим принцип наложения, а потому текущий (индекс «тк») процесс короткого замыкания представляет собой наложение предшествующего (индекс «пд») и чисто аварийного (индекс «ав») [25]: Хтк=—пд+ -ав (2-5)
Такое предположение о линейности системы позволяет произвести оценку верхнего предела распознаваемости. Нелинейность измерительных цепей модулей релейной защиты, приводящая к потере информации, снижает найденные объектные характеристики. где ILfujx напряжение предшествующего режима в месте будущего замыкания; Z/кз и /"авкз — ток и аварийная составляющая («ав») напряжения в этом месте при металлическом коротком замыкании («кз»); ZBH — внутреннее сопротивление электрической системы как эквивалентного генератора относительно места будущего замыкания. На рис. 2.1 символом «А» обозначен объект, представляющий собой активный многополюсник, для которого схематично показаны выводы для измерения напряжений U и ветви для измерения токов I, а также ветвь повреждения Rу.
Пусть А, В, С — обозначения фаз трехфазной сети и рассматривается однофазное или междуфазное замыкание с особой фазой А. Тогда по теореме об эквивалентном генераторе, соответствующие внутренние сопротивления вн и вн можно записать в виде 7(П_—ДЛВД . г/ , __г/ Пп\ (2)_ ДС/,пд , „ _ гг /91Пч й1ъ=—т У-ВС/,пд— У-ВС/,ав,ю (2ЛІ)) Из (2.6) и (2.7) следует описание годографа вектора наблюдения YaB= _""", о (2-11) V /Двн( /) где составляющая чисто аварийного режима пропорциональна току в месте повреждения при металлическом коротком замыкании:
В большинстве применений устройств релейной защиты предшествующий аварийному режим является симметричным [70]. Для исследования таких моделей удобен базис симметричных составляющих, в котором вектор наблюдения раскладывается на следующие компоненты: 4 УВДЦУВД!, О, Op, vaB=[vaBl,v2,v0]T, (2-13) где индексами 1, 2 и 0 обозначены векторы наблюдаемых величин прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно. Соотношение (2.6) записывается для каждой последовательностей в отдельности: y KiL/i; Y2=K2//2; Y0=K0//0. (2.14) Каждый из компонентов вектора V описывается уравнением годографа, подобранным по (2.11).
Универсальный распознающий модуль
Продемонстрированные подходы к синтезу защит углубляются в понятии универсального распознающего модуля [107] (ранее упоминаемым как «универсальное реле») — распознающей системе со следующими свойствами:
Инвариантность к объему информации. Универсальный модуль оперирует заданным числом величин вне зависимости от их размерности (качества).
Инвариантность к типу информационной задачи. Универсальный модуль применяет единый подход к собственно защите, фильтрации, локации, селекции и сегментации.
Информационное совершенство, понимаемое как приближение распознающей способности к пределу (распознаваемости, фильтруемости).
Универсальный модуль располагает всей априорной информацией и может либо воспользоваться ею для самообучения, либо присоединить ее к текущей информации о состоянии объекта. Априорная информация предоставляется в распоряжение распознающего модуля в виде а- и (3-имитационных (или алгоритмических) моделей защищаемого объекта. Режимы объекта задаются областями Ga и Ga их определения: xaeGacCa, хр є Ga с Са. Реле оперирует в уставочном пространстве А, где определен вектор замера z. Обратное преобразование х = Ф (z) в общем случае неоднозначно и определяется как результат оптимизационной процедуры (1.15) х0С=ф-1(Са ) = агё[ min dist(Oa(x ))z) sa3, (3.21) x aeG a минимизирующей расстояние между фиксированной точкой z и варьируемым отображением Фа(х ) режима х имитационной модели с допустимой погрешностью єа.
Обратное преобразование (3.21) - идентификатор, который в частном случае может быть локатором или фильтром. Определяя место повреждения объекта в отложенном времени, уже после срабатывания релейной защиты, локатор избавлен от необходимости проверять ситуацию на распознаваемость. Остается убедиться в однозначности решения, что достигается вариациями начального приближения при минимизации. Важное свойство локатора состоит в возможности оценки всего семейства режимов и его объектной ячейки.
Универсальный распознающий модуль реализует еще один блок — блокиратор — пусковой орган, проверяющий степень отстройки от Р-режимов, min dist(3 B(xB),z) B, (3.22) 4eGP где da - положительная величина отстройки. Таким образом, универсальный модуль представляет собой локатор (3.21) и пусковой орган (3.22), объединенные логической операцией «И». Чем больше величина dn, тем выше селективность реле, но ниже его чувствительность. При dn— Еа условие (3.22) проверяет распознаваемость а-режима. Универсальный распознающий модуль, построенный в соответствии с принципами (3.21) и (3.22), способен решить любую информационную задачу релейной защиты независимо от типа противостояния режимов (рис. 3.11).
Универсальный модуль признается идеальным, если он не ограничен вычислительными ресурсами и потому имеет возможность выполнять в реальном времени столько операций, сколько требуется. Идеальное реле всегда достигает предельно высокой распознающей способности за счет использования имитационных или алгоритмических моделей.
Имитационное моделирование линий электропередачи
Имитационная модель играет ключевую роль как в традиционных методах определения места повреждения на ЛЭП, так и в модулях, основанных на принципах универсального распознающего модуля. В настоящем исследовании в качестве основных информационных составляющих аварийного процесса приняты компоненты основной (промышленной) частоты, что означает возможность применения комплексного метода расчета цепей. Обзор высокочастотных алгоритмов [115], альтернативных данному, показывает, что наряду с высокой стоимостью оборудования для регистрации и обработки таких процессов имеется ряд препятствий их применению:
1. Существующие методы моделирования электрической сети (ЛЭП и смежное силовое и измерительное оборудование) [115-121] не обеспечивают достаточную точность воспроизведения формы сигналов и требуют проведение дополнительных исследований объектов, что не всегда возможно на практике. Несмотря на то, что отдельные исследования демонстрируют снижение погрешности воспроизведения мгновенных значений процессов до 2% (например, применение рекурсивного широкополосного алгоритма [122]), высокоточное моделирование ЛЭП невозможно без учета частотной зависимости параметров, которая известна лишь приблизительно (например, по модели Марти и ее модификациям [123,124]). Погрешность в задании сопротивления земли также имеет следствием ошибку задания априорных данных для расчета с относительной чувствительностью до 0,5 [125]. Наряду с этим нелинейность элементов сети плохо поддается априорной оценке и значительно усложняет расчет. Это означает, что обучение распознающих систем широкого применения по переходным процессам затруднено.
2. Высокочастотные способы ОМП полагаются на однородность основной ЛЭП, что исключает из рассмотрения линии с отпайками, с применением различных типов опор и марок проводов и тросов. Характеристики решений [65], учитывающих эти обстоятельства, не имеют преимуществ перед низкочастотными методами.
Большинство современных способов дистанционной защиты и ОМП по компонентам основной гармоники использует модели линий электропередачи в базисе симметричных составляющих. Такие модели предлагают сравнительно простую реализацию, однако вводят методическую погрешность, связанную с упрощенным учетом расположения проводов ЛЭП, действительных мест транспозиции линии [62]. Кроме того, ошибки проявляются при совместном подвесе проводов разных ЛЭП на одних опорах, наличии протяженных хорошо проводящих тросов (применяемых для высокочастотной связи), грозозащитных тросов, параллельных линий в том же коридоре. Исследования [3,4,126,127] показывают, что методическая погрешность моделей в симметричных составляющих при прочих равных может давать погрешность ОМП до 4% от длины линии (при малых переходных сопротивлениях). Указывается, что она зависит от длины транспозиционных пролетов и взаимного влияния параллельных линий, не имеющих общих шин с поврежденной. Поэтому одной из задач, решаемых в настоящей работе, является создание имитационной модели для модуля ОМП, позволяющей повысить адекватность учета неоднородности ЛЭП и ее несимметрию для большинства существующих конфигураций. Требованиям высокой точности моделирования ЛЭП отвечает метод фазных координатах [127], инструментарий которого сравнительно хорошо разработан [62]. Реализация, исследование и дополнение этого метода для класса линий напряжением 110-750 кВ положена в основу имитационной модели разрабатываемого распознающего модуля.
