Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Устойчивость функционировании дистанционных защит при электромагнитных переходных процессах 18
1.1. Электромагнитные переходные процессы в линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения 18
1.2. Структура построения измерительных органов дистанционных защит 25
1.3. Области срабатывания измерительных органов дистанционных защит по условиям чувствительности к дуговым замыканиям 31
1.4. Методы анализа и синтеза измерительных органов дистанционных защит 40
1.5. Измерительные органы дистанционных защит с
комбинированными характеристиками срабатывания 58
Выводы к первой главе 62
ГЛАВА 2. Методы и средства пуска и распознавания поврежденных фаз для релейных защит 64
2.1. Методы и средства пуска дистанционных защит 64
2.1.1. Принципы выполнения пусковых органов 64
2.1.2. Пусковой орган дистанционных защит, основанный на п-кратном выделении приращения вектора тока обратной последовательности ... 69
2.2. Распознавание вида повреждения и поврежденных фаз 77
2.2.1. Использование аварийных составляющих для выбора поврежденных фаз 79
2.2.2. Моделирование функционирования избирателя повреждённых фаз с использованием аварийных составляющих токов 81
2.2.3. Использование синхронных измерений по концам поврежденного участка для выбора вида повреждения и поврежденных фаз 86
Выводы ко второй главе 92
ГЛАВА 3. Анализ и синтез алгоритмов и программно-технических средств нижнего уровня для решения задач релейной защиты и автоматики энергосистем 94
3.1. Характеристика входных информационных процессов в устройствах РЗА энергосистем 94
3.2. Уменьшение погрешности измерения комплексных значений векторов токов 109
3.3. Алгоритмы формирования технологических параметров в микропроцессорных устройствах РЗ и ПА энергосистем 112
3.4. Программно-технические средства контроллера нижнего уровня
(КНУ) 129
Выводы к третьей главе 137
ГЛАВА 4. Алгоритмы функционирования и опыт эксплуатации средств определения места повреждения воздушных линий электропередачи 140
4.1. Методы и средства определения места повреждения воздушных линий электропередачи в сетях с заземленной нейтралью 140
4.2. Определение места повреждения на линиях электропередачи на основе измерения потоков мощности 151
4.3. Оценка погрешности одностороннего измерения расстояния до места короткого замыкания 153
4.4. Микропроцессорные средства определения места повреждения на линиях электропередачи 162
Выводы к четвертой главе 181
ГЛАВА 5. Методы и средства реализации автоматического предотвращения нарушения устойчивости 184
5.1. Основные задачи противоаварийного управления 184
5.2. Структура программно-технического комплекса автоматической дозировки управляющих воздействий (ПТК АДВ) 187
5.3. Инструментальные и технологические средства программного обеспечения ПТК АДВ 191
5.4. Программно-технические средства предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы генераторов 208
Выводы к пятой главе 214
ГЛАВА 6. Анализ алгоритмов и синтез программно-технических средств для локальных устройств противоаварийной автоматики 216
6.1. Состав задач пусковых и исполнительных устройств автоматического предотвращения нарушения устойчивости 216
6.2. Фиксация тяжести коротких замыканий 216
6.3. Автоматика ограничения повышения напряжения 227
6.4. Автоматика ликвидации асинхронных режимов 239
Выводы к шестой главе 252
Заключение
Список литературы
- Структура построения измерительных органов дистанционных защит
- Пусковой орган дистанционных защит, основанный на п-кратном выделении приращения вектора тока обратной последовательности
- Уменьшение погрешности измерения комплексных значений векторов токов
- Определение места повреждения на линиях электропередачи на основе измерения потоков мощности
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Обеспечение надежности и устойчивости работы объединенных энергосистем, а также ЕЭС России в целом в определяющей мере связано с функционированием релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автоматики (ПА), предназначенными осуществлять быструю и селективную автоматическую ликвидацию повреждений и аварийных режимов в электрической части энергосистем [1-4].
Одним из основных показателей технического совершенства устройств релейной защиты и, в частности, дистанционных защит (ДЗ) и их измерительных дистанционных органов (ДО) является устойчивость их функционирования [1], которая характеризует способность сохранять основные характеристики - величину уставки защищаемой зоны и время срабатывания при воздействии ряда факторов, приводящих к искажению этих характеристик. Для рассматриваемых ДЗ к такого рода факторам, например, относятся интенсивные медленно затухающие электромагнитные переходные процессы (ЭМПП), имеющие место при различных динамических возмущениях в электрических системах и, в первую очередь, при коротких замыканиях (КЗ). Функционирование не только ДЗ, но и ряда других важных задач: различных видов автоматического повторного включения (АПВ), определения места повреждения (ОМП) связаны с необходимостью выбора повреждения и поврежденных фаз (ВППФ). Вместе с тем известные алгоритмы определения вида повреждения и поврежденных фаз (ВППФ) имеют ограниченную область применения, связанную с недостаточной чувствительностью и, в том числе, при удаленных коротких замыканиях через переходное сопротивление на сильно загруженных линиях электропередачи.
Произошедший за последние годы скачок в техническом совершенствовании средств РЗ, выразившийся в появлении микропроцессорных (МП) устройств РЗ, определяет необходимость ориентации на широкое внедрение в практику проектирования и эксплуатации современных МП устройств. Использование такой техники позволит перейти к качественно новому поколению устройств, которые в отличие от электромеханических и статических (полупроводниковых и микроэлектронных) устройств имеют возможности реализации более сложных и совершенных алгоритмов, обладают расширенной самодиагностикой и практически неограниченными возможностями интеграции с АСУ ТП энергообъектов [5,6].
В связи с недостаточной готовностью отечественных производителей начавшийся процесс внедрения микропроцессорных устройств РЗ зарубежных, в основном, европейских) фирм (ABB, SIEMENS, GEC ALSTHOM и др.) связан с необходимостью зачастую принимать дорогостоящие и не всегда эффективные решения. Это связано с тем, что такие устройства ориентированы на реализацию существенно иных, нежели свойственных нашей стране, принципов релейной защиты энергосистем. Кроме того, уровень сопроводительной технической документации этих устройств (включая качество технических переводов) затрудняет возможности детализированного освоения их возможностей и особенностей.
Осуществление функций ПА до настоящего времени связано, в основном, с использованием электронной и часто электромеханической аппаратуры [7-14], характеризующейся ограниченными функциональными возможностями и недостаточными показателями надежности. Недостатки существующей системы ПА и современные возможности в области телекоммуникаций и программно-технических средств определяют необходимость дальнейшего развития методов и аппаратного оснащения ПА, которое также, как и для систем РЗ, должно быть направлено на полный переход на микропроцессорную технику и связанное с этим кардинальное изменение принципов взаимодействия и номенклатуры программно-технических средств ПА [15, 16]. Для такой большой энергосистемы, как ЕЭС России, целесообразна многоуровневая иерархическая структура с максимальной передачей задач ПА на наиболее низкий (локальный) уровень управления, повышающий надежность и упрощающий систему управления [16-19]. Локальный уровень ПА наиболее «массового» системного элемента - воздушной линии электропередачи (ВЛ) связан с выполнением задач: фиксации отключения линии (ФОЛ), фиксации перегрузки (ФП), автоматического ограничения повышения напряжения (АОПН), автоматической ликвидации асинхронного режима (АЛАР). В последние годы разработчики устройств ПА, не только отечественные, но и зарубежные, практически не имеющие опыта использования систем ПА, пошли по пути прямого копирования алгоритмов традиционных (электромеханических и электронных) устройств. Вместе с тем традиционные алгоритмы устройств ПА нижнего уровня в определяющей мере были связаны с ограниченными возможностями технических средств для их реализации.
В рамках иерархической системы ПА одной из важных является задача автоматической дозировки управляющих воздействий (АДВ), основной функцией которого является обеспечение надежности выдачи или приема мощности [20-23]. Эти функции реализуются за счет формирования и выдачи устройством АДВ команд противоаварийного управления при аварийных возмущениях в энергосистеме. Поэтому важной задачей, с учетом существующего недостаточного уровня телекоммуникаций и каналов связи, является обеспечение повышенной надежности и точности дозировки управляющих воздействий, которые определяют эффективность работы системы противоаварийного управления в целом.
Связь работы с государственными и отраслевыми научно -техническими программами, темами.
Исследования по данной проблеме проводились автором в рамках комплексных программ ГКНТ ОЦ.026.01.08 «Создать и ввести в действие в ЦДУ систему автоматического управления и регулирования по частоте и активной мощности нормальных режимов работы объединенных энергетических систем»; 0.01.06.Ц.05.02.НЗ «Разработать технические предложения по повышению надежности и устойчивости работы ЕЭЭС»; отраслевых программ Министерства энергетики СССР, Министерства промышленности и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», ОАО «ФСК ЕЭС».
Цель работы. Исследование, разработка и внедрение новых методов и средств систем релейной защиты и противоаварийной автоматики локального уровня, а также совершенствование математического, алгоритмического и программного обеспечения этих систем, расширяющего их функциональные возможности для обеспечения надежности и устойчивости работы электроэнергетических систем.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели выполнен следующий комплекс работ:
1. Исследование функционирования ДЗ при ЭМПП на линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, имеющих место при различных динамических возмущениях в электрических системах и, в первую очередь, при КЗ.
2. Исследование свойств частотно-избирательных колебательных звеньев 2-го порядка для формирования ортогональных составляющих входных напряжений и токов в измерительных органах ДЗ с целью повышения устойчивости функционирования этих защит при ЭМПП.
3. Анализ характеристик ПО дистанционных защит и разработка алгоритмов ПО, обладающих необходимой чувствительностью, быстродействием и отстройкой от режимов качаний.
4. Анализ известных алгоритмов определения вида повреждения и поврежденных фаз (ВППФ) и разработка новых алгоритмов и средств ВППФ для расширения области применения, и в том числе, при удаленных коротких замыканиях через переходное сопротивление на сильно загруженных линиях электропередачи. 5. Оценка влияния различных факторов на погрешность определения места повреждения с целью возможного упрощения алгоритмов одностороннего определения места повреждения (ООМП), к которым, в частности, относятся: токи промежуточных (ответвительных) подстанций; взаимоиндукция электромагнитно-связанных линий; неоднородность воздушной линии электропередачи; неточность задания сопротивления нулевой последовательности силовых трансформаторов (в основном, на промежуточных подстанциях); реактивная (емкостная) проводимость ВЛ и т.п.
6. Исследование алгоритмов наиболее распространенных программно-технических средств ООМП и обобщение многолетнего (с 1994г.) опыта их эксплуатации.
7. Разработка методов и средств решения задачи АПНУ в рамках иерархической системы противоаварийного управления (ПУ) при использовании локального устройства автоматической дозировки управляющих воздействий (ЛАДВ), основной функцией которого является обеспечение надежности выдачи или приема мощности.
8. Разработка алгоритмов функционирования и структуры программно-технических средств пусковых и исполнительных устройств автоматического предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) на примере задач устройств противоаварийной автоматики воздушной линии (ПА ВЛ).
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются методы и программно-технические средства дистанционных защит и устройств противоаварийной автоматики локального уровня. Предметом исследования является повышение технического совершенства устройств РЗ и ПА с целью обеспечения устойчивости и надежности функционирования энергосистем.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория электромеханических переходных процессов в электроэнергетических системах, методы математического и физического моделирования, теория вероятности, экспериментальные исследования на физических и цифровых моделях и в условиях реальных энергообъектов.
Достоверность и обоснованность результатов работы. Достоверность предложенных в работе решений подтверждается многочисленными испытаниями на электродинамических и цифровых моделях энергосистем, а также опытом эксплуатации на многих энергообъектах страны.
Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в совершенствовании методов и средств реализации элементов и структур РЗ и ПА локального уровня и состоит в следующем:
1. Исследовано функционирование дистанционных защит (ДЗ) при ЭМПП на линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, имеющих место при различных динамических возмущениях в электрических системах и, в первую очередь, при КЗ, показавшее необходимость разработки методов синтеза их измерительных органов с целью повышения устойчивости функционирования ДЗ при ЭМПП.
2. Исследованы свойства частотно-избирательных колебательных звеньев 2-го порядка и показано, что на их основе могут быть сформированы взаимноортогональные составляющие входных напряжений и токов, которые целесообразно использовать, в том числе, для цифровых измерительных органов ДЗ с целью повышения устойчивости функционирования этих защит при ЭМПП.
3. На основе анализа известных алгоритмов определения вида повреждения и поврежденных фаз (ВППФ) показано, что существенное улучшение их технических характеристик может быть достигнуто при использовании: аварийных составляющих токов в качестве основного критерия, характеризующее повреждение фазы, а также современных программно-технических средств, позволяющих осуществлять синхронные измерения на обоих концах поврежденного участка линии электропередачи и обеспечивающих эффективное решение задачи определения ВППФ. 4. Разработаны методы и средства решения задачи АПНУ в рамках иерархической системы противоаварийного управления (ПУ) при использовании резервированного локального устройства автоматической дозировки управляющих воздействий (ЛАДВ), основной функцией которого является обеспечение надежности выдачи или приема мощности.
5. Исследован, разработан и реализован на базе программно-технических средств алгоритм автоматической ликвидации асинхронного режима (АЛАР).
6. Исследован, усовершенствован и реализован на базе программно-технических средств алгоритм автоматического ограничения повышения напряжения (АОПН) с учетом ресурса изоляции защищаемого оборудования.
7. На основе анализа известных критериев оценки тяжести коротких замыканий (КЗ), не всегда достоверно характеризующих тяжесть КЗ, предложен и разработан алгоритм фиксации тяжести короткого замыкания (ФТКЗ), в котором в качестве представительного критерия оценки тяжести КЗ для выбора управляющих воздействий ПА по условиям динамической устойчивости предложено использовать величину сброса активной мощности прямой последовательности.
Практическая ценность работы.
1. Результаты исследований и предложенный метод синтеза измерительных органов дистанционных защит и их частотно-избирательных звеньев позволили реализовать в промышленном исполнении ДЗ линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, устойчиво функционирующие в условиях интенсивных ЭМПП.
2. Выявлены пути для повышения эффективности средств ООМП, связанные с: повышением количества, качества и надежности каналов связи (с использованием ВОЛС, беспроводных, в том числе спутниковых линий связи); уточнением параметров ВЛ; организацией необходимого взаимодействия локальных средств ООМП с системой регистрации и осциллографирования на энергообъекте (в рамках интеграции с АСУ ТП энергообъекта).
3. Разработанные методы и средства решения задачи АПНУ в рамках иерархической системы противоаварийного управления (ПУ) при использовании резервированного локального устройства автоматической дозировки управляющих воздействий (ЛАДВ) позволяют обеспечить надежность выдачи или приема мощности.
4. Предложенные алгоритмы функционирования и структуры программно-технических средств пусковых и исполнительных устройств автоматического предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) используются при реализации устройств противоаварийной автоматики локального уровня, например, устройств противоаварийной автоматики воздушной линии (ПА ВЛ).
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований и разработок:
1. Рекомендованы рабочей группой НТК при ГКНТ СССР к промышленному внедрению в части быстродействующих ступеней с комбинированными характеристиками срабатывания панелей дистанционной защиты от междуфазных замыканий линий напряжением 500 750 кВ типа ПДЭ-2001, в настоящее время серийно выпускаемой промышленностью.
2. Внедрены в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» при выполнении:
- разработки технических требований к дистанционным защитам линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения;
- проектов ПА с использованием программно-технических средств локального уровня (микропроцессорное устройства повышенной надежности ЛАДВ; микропроцессорное устройство автоматики ограничения повышения напряжения типа АОПН-М; микропроцессорное устройство ликвидации асинхронных режимов типа АЛАР-М); - разработки и проектирования системы измерения комплекса управления перетоками активной мощности (СИ КУРМ) на электропередаче Россия - Финляндия (Выборгский преобразовательный комплекс МЭС Северо-Запада).
3. В МЭС Северо-Запада (Выборгский преобразовательный комплекс) при внедрении в эксплуатацию ПТК СИ КУРМ.
4. Во многих энергосистемах страны (Кубаньэнерго, Колэнерго, Архэнерго и др.) при внедрении в эксплуатацию микропроцессорных индикаторов расстояния типа МИР (МИР-1, МИР-3, МИР-Р).
5. В учебном процессе кафедры «Релейная защита и автоматизация энергосистем ПЭИпк (г. Санкт-Петербург) по учебной дисциплине «Определение места повреждения на линиях электропередачи».
6. В учебном процессе МЭИ (ТУ) по учебной дисциплине «Автоматика электроэнергетических систем».
7. В ОАО «Вологдаэнерго» для реализации электроэнергетических задач АСУ ТП (ПС «Усть-Алексеево») в составе программно-технического комплекса (ПТК) «Космотроника-Э».
8. В НЛП «Энергоизмеритель» (г. Москва) при серийном выпуске устройств типа МИР, ЛАДВ, АЛАР-М, АОПН-М.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследований функционирования дистанционных защит ДЗ при ЭМПП на линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, имеющих место при различных динамических возмущениях в электрических системах и, в первую очередь, при КЗ.
2. Результаты исследований свойств частотно-избирательных колебательных звеньев 2-го порядка, которые целесообразно использовать, в том числе, для цифровых измерительных органов ДЗ для формирования взаимноортогональных составляющих входных напряжений и токов, и предложенный метод синтеза измерительных органов ДЗ и их частотно 14 избирательных звеньев с целью повышения устойчивости их функционирования при ЭМПП.
3. Методы и средства решения задачи АПНУ в рамках иерархической системы противоаварийного управления (ПУ) при использовании резервированного локального устройства автоматической дозировки управляющих воздействий (ЛАДВ), основной функцией которого является обеспечение надежности выдачи или приема мощности.
4. Структуры программно-технических средств пусковых и исполнительных устройств автоматического предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) используются при реализации устройств противоаварийной автоматики локального уровня, например, устройств противоаварийной автоматики воздушной линии (ПА ВЛ).
5. Результаты исследований и реализация на базе программно-технических средств алгоритма автоматическое ограничение повышения напряжения (АОПН) с учетом ресурса изоляции защищаемого оборудования.
6. Результаты исследований критериев оценки тяжести коротких замыканий (КЗ) и предложенный алгоритм задачи фиксации тяжести короткого замыкания (ФТКЗ), в котором в качестве представительного критерия оценки тяжести КЗ для выбора управляющих воздействий ПА по условиям динамической устойчивости предложено использовать величину сброса активной мощности прямой последовательности.
Личный вклад соискателя. Приведенные в диссертации результаты являются составной частью научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, выполненных в лаборатории релейной защиты и автоматики энергосистем (НИЛ РЗА) ОАО «Институт «Энергосетьпроект» под руководством и при участии автора в рамках комплексных отраслевых программ Министерства энергетики СССР, Министерства промышленности и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», ОАО «ФСК ЕЭС», а также ряда инициативных работ. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задач, разработка теоретических и методических положений, физических и математических моделей и методов, обобщение результатов и рекомендации по применению предложенных решений.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских семинарах и конференциях, в том числе: на республиканской научно-технической конференции РТУ (Рига, 1986г.); на всесоюзной научно-технической конференции Союзтехэнерго «Опыт разработки, внедрения и эксплуатации устройств защиты и автоматики на микроэлектронной основе с использованием микропроцессорной техники» (Москва, 1989г.); на всероссийской научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем -96» (Москва, 1996г.); на всероссийской XIV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000» (Москва, ВВЦ, 2000г.); на научно-практической конференции, посвященной 70-летию Отделения релейной защиты, автоматики, устойчивости и моделирования (ОРЗАУМ) Института «Энергосетьпроект» (Москва, 2001г.); на всероссийской XV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2002» (Москва, ВВЦ, 2002г.); на Ш Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2003г.); на международной научно-технической конференции «POWER AND ELECTRICAL ENGINEERING» (Рига, Рижский технический университет, 2003г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы сучасноі злектротехнікі» (Киев, Национальная академия наук Украины, 2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 печатные работы [15, 21-23, 39, 42, 55, 56, 62, 69, 76-78, 94, 96, 123, 128, 135-137, 160,161, 167-207], в том числе 22 авторских свидетельства и патента на изобретения. После получения ученой степени кандидата технических наук опубликовано 48 работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка и 4 приложений. Общий объем работы составляет 310 страниц, в том числе основного текста 279 страниц, включая 80 рисунков и 22 страниц библиографического списка (207 наименований), а также содержит приложения общим объемом 31 страница.
В первой главе рассмотрены вопросы обеспечения устойчивости функционирования дистанционных защит (ДЗ) при электромагнитных переходных процессах: проанализированы известные методы анализа измерительных органов дистанционных защит; приведен метод синтеза, учитывающий особенности измерительных органов дистанционных защит, являющихся органами отношения напряжения и тока в месте установки защиты на линии электропередачи; предложены измерительные органы дистанционных защит с комбинированными характеристиками срабатывания основанные на обеспечении различного быстродействия при металлических и дуговых замыканиях; даны примеры анализа динамических характеристик измерительных органов ДЗ при физическом моделировании ЭМПП на протяжённых линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения.
Во второй главе приведен анализ методов и средств пуска ДЗ и их блокирования при качаниях; рассмотрен предложенный алгоритм пускового органа ДЗ, основанный на п-кратном выделении приращения вектора тока обратной последовательности; охарактеризованы известные принципы распознавания вида повреждения и поврежденных фаз (ВППФ); показано, что совершенствование принципов распознавания ВППФ может быть достигнуто при использовании: аварийных составляющих токов в качестве основного критерия, характеризующего повреждение фазы, а также современных программно-технических средств, позволяющих осуществлять синхронные измерения на обоих концах поврежденного участка линии электропередачи. В третьей главе рассмотрены методы и средства формирования технологических параметров для задач РЗ и ПА электроэнергетических систем: характеристика входных информационных процессов в устройствах РЗ и ПА энергосистем; метод уменьшения погрешности измерения комплексных значений векторов токов; алгоритмы формирования технологических параметров в микропроцессорных устройствах РЗ и ПА; принципы формирования, структурная схема, программно-технические средства и технические характеристики контроллера нижнего уровня (КНУ), разработанного под руководством и при непосредственном участии автора.
Четвертая глава посвящена анализу алгоритмов функционирования и опыта эксплуатации средств определения места повреждения (ОМП) воздушных линий электропередачи; оценке погрешностей одностороннего измерения расстояния до места короткого замыкания; реализации микропроцессорных средств определения места повреждения на линиях электропередачи на базе разработанного контроллера нижнего уровня (КНУ).
В пятой главе рассмотрены основные задачи противоаварийного управления, приведен пример реализации задачи противоаварийного управления, а именно задачи автоматической дозировки управляющих воздействий (АДВ) энергосистем на базе программно-технического комплекса (ПТК) «Космотроника-Э» с использованием разработанных автором блоков устройства связи с объектом (УСО), приведены данные о технических средствах и программном обеспечении этого комплекса.
Шестая глава связана с анализом алгоритмов и синтезом программно-технических средств для локальных устройств противоаварийной автоматики; с характеристикой состава задач пусковых и исполнительных устройств автоматического предотвращения нарушения устойчивости; с предложенными алгоритмами решения задач: фиксации тяжести коротких замыканий, автоматики ограничения повышения напряжения, автоматики ликвидации асинхронных режимов.
Структура построения измерительных органов дистанционных защит
Реализация традиционных ДО была связана со сравнением по абсолютному значению, по фазе или по обоим признакам одновременно двух и более электрических величин, представляющих собой линейную комбинацию двух величин - напряжения и тока на входе ДО, вида [31,42]: Е,(Р) = и (P)U(P)+К (Р)1(Р) (1-7) Структурная схема таких ДО, в общем виде представленная на рис. 1-3, содержит: 1 - блок формирования сравниваемых величин (БФм); 2 - блок фильтрации сравниваемых величин (БФл); 3 - схему сравнения (СС); 4 - исполнительный орган (ИО).
Посредством блока формирования 1 получается указанная линейная комбинация напряжения и тока в соответствии с (1-7) подводимых к ДО. Комплексные коэффициенты трансформации кы(р) и ки(р) получались до последнего времени на основе схемы на рис. 1-4, в которой с заданными коэффициентами по величине и знаку суммируются составляющие от напряжения (TV) и ортогональные составляющие от тока, получаемые с помощью трансреактора (TVА) и трансформатора тока (ТА). Для отстройки от составляющих частот, отличных от промышленной, между схемой формирования сравниваемой величины и схемой сравнения ДО включаются резонансные LCR-фильтры.
Одним из основных мероприятий для обеспечения быстрой и селективной работы дистанционных защит в условиях ЭМПП является использование в схемах ДО частотных фильтров с нулевыми начальными условиями в предшествующем КЗ режиме [32, 33]. Нулевые начальные условия в нормальном режиме обеспечиваются пусковым органом (ПО) дистанционной за щиты, которым является, как правило, устройство блокировки при качаниях. Рассмотренная структурная схема предусматривает чёткое разделение функций формирования сравниваемых величин (суммирование и поворот векторов, пропорциональных напряжению и току, подводимых к ДО) и функций фильтрации сформированных сравниваемых величин.
Такой традиционный подход к выполнению ДО в значительной мере ухудшал определяющие технические показатели дистанционных защит такие, как потребление мощности по цепям переменного тока и напряжения, а также габариты устройств. Это обстоятельство оказалось наиболее актуальным для ДО со сложными (многоугольными) характеристиками срабатывания в комплексной плоскости сопротивления, которые осуществляются на основе сравнения более, чем трёх величин вида (1-7).
Требования к частотным звеньям с точки зрения взаимного расположения полосы пропускания и полосы задерживания определяют различие между известными типами фильтров: фильтр нижних частот (ФНЧ); фильтр верхних частот (ФВЧ); полоснопропускающий (полосовой) фильтр (ПФ); по-лоснозадерживающий фильтр (ПЗФ).
Кроме требования к модулю коэффициента передачи в ряде случаев, в частности, для ДО, предъявляются определённые требования к аргументу коэффициента передачи, т.е. к его фазочастотной характеристике. Помимо ам-плитудночастотной (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) предъявляются требования к допустимой величине нелинейных искажений частотных фильтров, к стабильности их характеристик, к габаритам, весу, потребляемой мощности и т.п.
С точки зрения измерительной техники, радиотехники и техники связи из всех перечисленных требований основными являются требования к его избирательности. На основе этих требований и решается первая часть общей задачи синтеза электрических фильтров - аппроксимация их характеристик. Задача аппроксимации сводится к нахождению некоторой функции частоты H(j(o), которая достаточно полно удовлетворяет требованиям к избирательности синтезируемого частотного фильтра [34-37].
Пусковой орган дистанционных защит, основанный на п-кратном выделении приращения вектора тока обратной последовательности
Дистанционные защиты, как известно [1, 40], подвержены ложным срабатываниям при качаниях и асинхронных режимах в системах. В нашей стране получил распространение принцип, основанный на кратковременном запуске защиты при возникновении несимметрии, регистрируемой измерительными органами, реагирующими на составляющие напряжения или тока обратной последовательности, а также на их сочетание с составляющими нулевой последовательности. По мере развития энергосистем, сопровождающегося возрастанием мощности генераторов, трансформаторов, вводом в эксплуатацию электропередач высокого и сверхвысокого напряжения, ужесточились требования к чувствительности измерительных органов блокировок при качаниях, выполняющих функции пусковых органов дистанционных защит. В процессе поиска путей повышения чувствительности и надежности пусковых органов блокировки при качаниях у нас в стране был разработан ряд решений [66-68], часть из которых непосредственно связана с задачей создания дистанционных защит для электропередач высокого и сверхвысокого напряжения.
В зарубежной практике блокировка защит при качаниях осуществлялась на принципе выявления режимов качаний и асинхронного хода с последующим запретом действия защиты, находящейся обычно в состоянии полной готовности к срабатыванию при КЗ без контроля измерительными органами блокировки. Качания и асинхронные режимы в таких устройствах определялись на основе фиксации разного характера изменения во времени сопротивлений на зажимах измерительных органов в этих режимах и при КЗ. Блокировка защит на таком принципе впервые предложена у нас в стране в 1934 г. О.П. Сусловым, но не получила распространения из-за ряда недостатков [1].
С целью совершенствования блокировки при качаниях и ее измерительных органов для дистанционных защит электропередач высокого и сверхвысокого напряжения была выполнены многочисленные исследования и разработки [32, 33], в том числе, выполненные под руководством и при участии автора [64, 65]. Эти исследования показали, что наиболее эффективным и необходимым мероприятием для обеспечения быстрого и селективного функционирования дистанционных защит и их измерительных дистанционных органов (ДО) при электромагнитных переходных процессах (ЭМПП) является создание в нормальном режиме нулевых начальных условий (ННУ) для частотно-избирательных элементов ДО. Задача создания ННУ возлагается на пусковые органы (ПО), которые после КЗ подключают аварийные параметры к частотно-избирательным элементам ДО, исключая влияние на работу последних доаварийного режима. Обычно роль ПО дистанционных защит выполняется устройством блокировки при качаниях, являющимся необходимым компонентом таких защит. Требования, предъявляемые к ПО дистанционных защит сводятся, в основном, к следующему:
1. Пусковой орган должен быть отстроен от режимов качаний, чтобы в этих случаях предотвращать пуск дистанционных защит.
2. Чувствительность ПО должна быть выше, чем у наиболее чувствительных ступеней защиты.
3. Быстродействие ПО должно быть максимальным, т.к. время срабатывания быстродействующих ДО складывается из собственного времени их срабатывания и времени срабатывания ПО, осуществляющих ННУ для частотно-избирательных элементов ДО.
Сложность одновременного выполнения этих требований заключается в том, что первое требование, по существу, противоречиво остальным двум. Именно поэтому сложность создания ПО блокировки при качаниях с требуемыми свойствами является традиционной.
Наиболее распространенными в нашей стране, как уже было указано, являются устройства, отличающие КЗ от нормального режима и от режима качаний по появлению хотя бы кратковременной несимметрии тока или напряжения сети. Такие устройства предложены у нас в стране в 1938 г., получили широкое распространение на практике (блокировки типов КРБ-125,126) и до настоящего времени выпускаются промышленностью. Недостатком ПО такого типа является их недостаточная чувствительность, связанная с необходимостью отстройки от различных небалансов, обусловленных: расстройкой фильтров обратной последовательности из-за отклонения от номинальной частоты в сети; несимметрией линии; неидентичностью характеристик измерительных трансформаторов тока; наличием высших гармонических составляющих в токе и напряжении нормального режима (например, из-за наличия тяговых подстанций).
Недостатки рассмотренных устройств частично исключаются в устройствах, реагирующих на величину производной модуля напряжения или тока обратной последовательности. Однако и их чувствительности оказывается в ряде случаев недостаточно, особенно для режимов, когда модуль напряжения или тока при КЗ близок к таковому в нормальном режиме.
Наиболее совершенными среди устройств рассматриваемого типа являются ПО дистанционных защит, реагирующие на величину приращения (аварийную составляющую) вектора напряжения или, чаще, тока обратной последовательности. Алгоритм таких ПО иллюстрируется структурной схемой, которая содержит (рис. 2-1) кроме фильтра токов обратной последовательности (ФТОП) - ZA1 схему выделения разности двух величин AD, изменяющихся различно во времени в динамических режимах. Для этого схема AD содержит инерционное звено Z2 и схему вычитания SM3. Выход схемы AD подключается через схему выпрямления VD4 к реагирующему органу ЕА5.
Уменьшение погрешности измерения комплексных значений векторов токов
Наиболее целесообразно информацию о режимных параметрах электроэнергетических систем получать преобразованием (перемножением, сложением) составляющих входных сигналов, сдвинутых по фазе на угол у = -(ортогональных составляющих) [88]. Поэтому общим свойством для различных известных цифровых принципов преобразования режимных параметров является обработка сигналов на основе операций с их ортогональными составляющими. При этом формирование ортогональных составляющих должно осуществляться только после «подавления» (фильтрации) апериодических составляющих, которые целесообразно осуществлять по следующему алгоритму: где Bkj - к-й отфильтрованный отсчет у -го сигнала; Akj - к-й мгновенный отсчет того жеу-го сигнала, содержащий апериодическую составляющую; NT N = число отсчетов (интервалов At) за половину периода Т; к - индекс, изменяющийся от 0 до (NT-1) и далее, циклически, от 0 до (NT-1).
Первичные замеры А\ц входных аналоговых сигналов должны храниться за N+1 опросов, т.е. за один текущий полупериод, включая обе его границы.
Таким образом, во всех дальнейших операциях должны использоваться только отфильтрованные мгновенные отсчеты Bkj. Их надо хранить за вдвое больший интервал времени - за целый период, включая обе его границы.
Использование ортогональных составляющих гармонических сигналов промышленной частоты обеспечивает взаимную компенсацию созданных алгоритмической операцией их перемножении составляющих удвоенной промышленной частоты, т.е. позволяет исключить необходимость фильтрации последних и тем самым повысить быстродействие преобразования [89-93].
Наибольшее распространение получили принципы выделения ортогональных составляющих, основанные на проектировании векторов синусоидальных составляющих сигнала на неподвижные оси координат [6].
В результате такого преобразования получаются вращающиеся с синхронной скоростью вектора. Проекции этих векторов на две ортогональные оси координат изменяются в стационарном режиме по синусоидальному (ко синусоидальному) закону. Фазы этих векторов также непрерывно изменяются во времени. Указанные обстоятельства существенно затрудняют, а в ряде случаев исключают возможности быстрой и эффективной фильтрации (усреднения или сглаживания) ортогональных составляющих, что необходимо для обеспечения устойчивого функционирования микропроцессорных устройств РЗА, особенно в условиях тяжелых условий по электромагнитной совместимости на электроэнергетических объектах.
В настоящей работе под руководством и при участии автора предложен новый принцип выделения ортогональных составляющих векторов основной гармоники аналогового сигнала из его отсчетов {BkJ за один период Т в режиме скользящего интегрирования.
Сущность принципа заключается в следующем. Для периодической функции f(t) =f(t ±кТ) при движении во времени путем «синхронного прохождения» по отсчетам функции f(t/J и коэффициенты пары ортогональных фильтров {КАк} и {KR/J при каждом новом значении времени t=kAt получают одни и те же наборы слагаемых {КАк -f(tk)} и {KRk -f(tk)}, а значит неизменными будут оставаться и значения их сумм. Поэтому для рассматриваемого сигнала при указанных условиях значения ортогональных составляющих остаются постоянными, т.е. XP(t)=const иXA(t)=const.
Предложенный способ формирования ортогональных составляющих соответствует проектированию преобразуемого вектора на взаимно ортогональные оси, синхронно вращающиеся вместе с ним.
Получаемые значения ХР и ХА могут фильтроваться (сглаживаться) для исключения возможных больших выбросов не только в стационарных режимах, но и при резких возмущениях (например, при коротких замыканиях). При этом обеспечивается плавный переход к новым значениям контролируемого вектора в режиме возмущений. Указанные соображения правомерны также для модулей и фаз векторов. Алгоритмическая реализация рассмотренного принципа формирования ортогональных составляющих заключается в следующем. Коэффициенты пары ортогональных фильтров {КАк} и {KR/J, выделяющих, соответственно, активную (проекция вектора на действительную ось) ХА\ц и реактивную (проекция вектора на мнимую ось) ХЯц ортогональ ные составляющие, есть значения sin(k—) и cos(k—) для NT фиксированных значений аргумента [k = 0, 1, ...(NT-l)J.
Массивы значений КАк =cos(k—; и KRk =sin(k—) для выбранного значения NT являются константами программы. Задавать их целеесообразно с точностью до 10" , т.е. не менее чем с четырьмя знаками после десятичной точки.
В зависимости от вычислительных ресурсов NT может принимать одно из значений следующего ряда: 24, 36,48, 72.
Определение места повреждения на линиях электропередачи на основе измерения потоков мощности
В процессе восстановления энергоснабжения потребителей, отключенных в результате коротких замыканий (КЗ) на линиях электропередачи, значительные затраты времени приходятся на осуществление поиска места повреждения [98, 99].
Технические средства для определения мест повреждения (ОМП) воздушных линий электропередачи (ВЛ) с применением различных методов [74,100-119] широко внедрены в энергосистемах [120] и используются при эксплуатационном обслуживании электрических сетей всех классов напряжений. Обладая достаточной точностью, они способствуют ускорению поиска поврежденных элементов ВЛ, что снижает время восстановления работоспособности ВЛ и повышает надежность работы электрических сетей и снабжения потребителей электрической энергией.
Наиболее известными для определения мест повреждения ВЛ являются две группы методов: методы, основанные на измерении параметров аварийного режима в момент КЗ, и методы, базирующиеся на измерении временных интервалов распространения электромагнитных волн вдоль воздушной линии (импульсные методы) [121].
Наибольшее распространение получили методы, основанные на получении и обработке параметров принужденных составляющих токов и напряжений аварийного режима [121,122]. Такого рода измерения осуществляются, как правило, при помощи ряда фиксирующих приборов типа ЛИФП, ФИП, ФИС, ФПН, ФПТ и др. [106,119].
Положительная в целом практика эксплуатации таких приборов [120] выявила и ряд их недостатков: такие фиксирующие приборы требуют значительных затрат при наладке и эксплуатации, имеют в ряде случаев недостаточную точность.
Использование микропроцессорной элементной базы позволяет создавать устройства не имеющие отмеченные недостатки, придать новые свойства средствам ОМП (непосредственная фиксация расстояния до места повреждения в километрах, фиксация времени возникновения повреждения и т.п.) [123-125]. При этом специфика функционирования средств ОМП (по сравнению с другими видами автоматики энергосистем) способствует первоочередному использованию микропроцессорной техники. Действительно, при КЗ на контролируемом объекте средства ОМП должны осуществлять в темпе процесса лишь существенно ограниченные функции - фиксация и запоминание токов и напряжений аварийного режима. Обработка результатов измерения допустима уже после отключения объекта и может занимать значительные промежутки времени. Отмеченная особенность позволяет вести поиск алгоритмов функционирования измерительных органов (ИО) средств ОМП, не отбрасывая относительно сложные и непригодные на сегодняшний день, но перспективные в будущем алгоритмы.
Методы ОМП по параметрам аварийного режима по основному признаку - виду измерений - можно разделить на две большие группы: методы с двусторонним и методы с односторонним измерением. На линиях с промежуточными (ответвительными) подстанциями возможны дополнительные измерения параметров аварийного режима.
Методы с двусторонним измерением основаны на измерении и фиксации в момент короткого замыкания параметров на концах поврежденной ВЛ с последующим расчетом. Расчет расстояния до мест повреждения может выполняться вручную, либо с помощью ЭВМ, использующих специальные или универсальные программы. Возможно применение таблиц, составленных на основе предварительных расчетов для отдельных ВЛ.
При использовании этих методов измеряются либо токи и напряжения нулевой последовательности, либо аналогичные величины обратной последовательности. Возможно одновременное измерение этих параметров аварийного режима. Рассматриваемые методы ОМП могут применяться для транзитных В Л различных видов: одноцепных и двухцепных, имеющих электромагнитную связь как по всей длине, так и на части трассы, а также линий с ответвлениями.
Сложности организации для «двухсторонних» устройств ОМП обмена информации с двух сторон поврежденного участка линии электропередачи, малая пропускная способность и низкая надежность каналов связи, с одной стороны, а также большие возможности программируемых средств, с другой стороны, в большой мере инициировали разработки и исследования, связанные с односторонним определением места повреждения (ООМП).
Во второй половине 80-х годов в Рижском политехническом институте был разработан и внедрен в производство на Рижском опытном заводе «Энергоавтоматика» микропроцессорный фиксирующий индикатор МФИ-1, для определения мест повреждения при всех видах коротких замыканий воздушных линий напряжением 110 кВ [6].
Опыт эксплуатации МФИ-1, а также появившихся позднее его аналогов [112, 123] выявил необходимость усовершенствования алгоритма функционирования и конструкции прибора. В результате сотрудничества с конструкторским бюро Рижского опытного завода "Энергоавтоматика" под руководством и при участии автора была предложена структурная схема устройства для фиксации электрических величин аварийного режима, реализованная в микропроцессорных индикаторах следующего поколения.
