Содержание к диссертации
Введение
1 Имитационное и алгоритмическое моделирование электроэнергетических систем методом каскадного эквивалентированкя 12
1.1 Задачи имитационного и алгоритмического моделирования 12
1.2 Каскадное эквивалентирование. Общие сведения 14
1.3 Общий метод восстановления каскадного соединения 18
1.4 Метод нормализации начального участка имитационной модели 20
1.5 Алгоритмическое моделирование. Общие сведения 21
1.6 Эквивалентирование линии электропередачи 22
1.7 Эквивалентирование линий электропередачи с изолированной нейтралью 23
1.8 Эквивалентирование ответвления 25
1.9 Учет грозозащитных тросов
1.10 Эквивалентирование электроэнергетических систем 28
1.11 Эквивалентирование однофазного трансформатора 28
1.12 Эквивалентирование ответвления, имеющего ограничение 30
1.13 Эквивалентирование трехфазного трансформатора 33
1.14 Эквивалентирование параллельных ветвей 37
1.15 Матрицы повреждений 38
1.16 Практическое применение метода каскадного эквивалентирования 42
Выводы 48
2 Имитационное моделирование замыканий в трансформаторе для задач дальнего резервирования 49
2.1 Постановка задачи 49
2.2 Модель однофазного двухобмоточного трансформатора 50
2.3 Модель трехфазного двухобмоточного трансформатора 61
2.4 Модель ЛЭП с ответвительными подстанциями 79
Выводы 84
3 Алгоритмическое моделирование для задач дальнего резервирования 86
3.1 Классическая алгоритмическая модель объекта для задач дальнего резервирования 86
3.2 Замер виртуального реле сопротивления 90
3.3 Уставочная область алгоритмического реле сопротивления 94
3.4 Недостаток классической алгоритмической модели объекта 100
3.5 Усовершенствованные алгоритмические модели объекта 102
3.6 Сравнение алгоритмических моделей 106
3.7 Методика расчета алгоритмических моделей объекта методом каскадного эквивалентирования 109
3.8 Изменение места установки виртуального реле сопротивления 116
3.9 Дальнее резервирование защит ответвительных трансформаторов в неполнофазных режимах 118
Выводы 124
4 Дистанционный замер при замыканиях за трансформаторами с различными группами соединения 125
4.1 Классический дистанционный замер 125
4.2 Орган выявления места замыкания 135
4.3 Дистанционный замер, отстроенный от тока предшествующего режим а 138
Выводы 146
5 микропроцессорное устройство защиты дальнего резервирования «бреслер-0107.030» 148
5.1 Общие сведения 148
5.2 Особенности работы логической схемы защиты дальнего резервирования «Бреслер-0107.030» 153
5.3 Программы расчета уставок защиты «Бреслер-0107.030» 165
Выводы 169
Заключение 170
Список литературы 172
- Каскадное эквивалентирование. Общие сведения
- Модель однофазного двухобмоточного трансформатора
- Замер виртуального реле сопротивления
- Орган выявления места замыкания
Введение к работе
Актуальность темы.
Внедрение в электроэнергетику микропроцессорной техники открывает широкие возможности для повышения надежности производства и передачи электроэнергии, снижения последствий аварий. В сложившейся ситуации возникает потребность в пересмотре принципов построения устройств релейной защиты и её алгоритмов. Эффективное объединение всей доступной информации о состоянии энергообъекта позволяет повысить чувствительность релейной защиты вплоть до физически достижимого предела.
Совершенствование алгоритмов защиты дальнего резервирования актуально, поскольку имеющиеся защиты не всегда обеспечивают необходимую чувствительность к замыканиям в ответвителышх подстанциях.
Работа является развитием исследований и разработок, выполненных в 1998-2007 гг. в «НПП Бреслер» и на кафедре ТОЭ и РЗА ЧГУ, некоторые результаты которых были отражены в диссертациях к.т.н. Павлова А.О. «Информационные аспекты распознавания коротких замыканий в линиях электропередачи в приложении к защите дальнего резервирования» (2002 г.) и к.т.н. Еремеева Д.Г. «Разработка и исследование микропроцессорной защиты дальнего резервирования» (2010 г.).
В процессе подготовки диссертации автор пользовался консультациями к.т.н. Павлова А.О.
Целью работы является развитие методов имитационного и алгоритмического моделирования и эквивалентирования линий с ответвлениями для задачи дальнего резервирования, а также разработка более совершенной, чем предыдущие модификации, микропроцессорной защиты дальнего резервирования.
Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теоретических основ релейной защиты, теории цепей, теории распознавания, математического моделирования, а также вычислительные имитационные пакеты.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов
обеспечивается корректным использованием математического аппарата,
вычислительных программных комплексов, многочисленной
экспериментальной проверкой разработанной защиты, в том числе в условиях эксплуатации.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Развитие метода каскадного эквивалентирования многопроводных систем.
-
Развитие методов алгоритмического моделирования для задач дальнего резервирования.
-
Развитие дистанционного принципа для реализации дальнего резервирования ответвительных трансформаторов.
-
Алгоритмы и структура микропроцессорной защиты дальнего резервирования с повышенной чувствительностью к повреждениям в ответвительной подстанции.
Научная новизна работы.
-
Развитый в работе метод каскадного эквивалентирования многопроводных систем отличается от известных из литературы разработанным способом включения ответвления, имеющего ограничения, в общий каскад многопроводной системы без нарушения условий каскадного соединения и применением моделей линейных трансформаторов с возможностью учета внутренних повреждений, группы соединения обмоток и режима работы нейтрали.
-
Развитый в работе метод алгоритмического моделирования отличается от известных из литературы использованием алгоритмических моделей с улучшенными точностными характеристиками и применением алгоритмических моделей для реализации дальнего резервирования защит ответвительных трансформаторов с заземленной нейтралью в неполнофазном режиме.
-
Развитый в работе дистанционный принцип релейной защиты при замыканиях за ответвительными трансформаторами отличается от известных из литературы тем, что в нем предложено при междуфазном замыкании за трансформатором Y0/A-ll группы соединения обмоток использовать фазные координаты замеров сопротивления, отстроенных от тока предшествующего режима, а при междуфазном замыкании за трансформатором Y0/Y -12 группы соединения обмоток - линейные
координаты.
Практическая ценность.
-
Развитый в работе метод каскадного эквивалентирования позволил разработать программные модули, моделирующие внутренние повреждения в ответвительной подстанции, результаты расчета которых используются для тестирования и выбора параметров срабатывания защиты Бреслер-0107.030.
-
Предложенные алгоритмические модели с улучшенными точностными характеристиками позволили повысить степень чувствительности и селективности защиты дальнего резервирования Бреслер-0107.030 при замыканиях за трансформаторами малой мощности.
-
Применение алгоритмических моделей позволило реализовать дальнее резервирование трансформаторов с заземленной нейтралью в условиях неполнофазного режима.
-
Развитый в работе дистанционный принцип позволил реализовать дальнее резервирование защит ответвительных трансформаторов при
сложных дуговых замыканиях и при отсутствии информации о предшествующем режиме.
5. Рассмотренная в работе защита «Бреслер-0107.030» запущена в серийное производство, эксплуатируется в энергосистемах Тулаэнерго, Тамбовэнерго, Ярэнерго, Тюменьэнерго, Камчатскэнерго и в Белоруссии. Получен положительный опыт эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и республиканских научно-технических конференциях: СИГРЭ (Чебоксары 2007 г.), Релейная защита и автоматика энергосистем (Москва, ВВЦ, 2008 г. и 2009 г.), Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС, Чебоксары, 2005, 2007 и 2011), Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ, Чебоксары, 2006), Республиканская научно-техническая конференция молодых специалистов «Электротехника, электроэнергетика и электромеханика» (Чебоксары, 2005-2008, 2010).
Реализация результатов работы. Основные результаты работы, полученные в диссертационной работе, использованы при создании в «НППБреслер» новой серии защиты дальнего резервирования «Бреслер-0107.030».
Публикации. Содержание диссертационной работы нашло отражение в 30 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (108 наименований) и трех приложений. Общий объем работы составляет 201 стр., в том числе основного текста 167 стр., 98 рисунков, 23 таблицы.
Каскадное эквивалентирование. Общие сведения
В случае канонического участка, т.е. при т =«?, = т2, эквивалентное описание представляется в виде W ,[2p]=A3KB-W 2[2 А 32А А.экв _ А где Аэкв - матрица, связывающая величины неповрежденных проводов. Избыточные величины могут быть найдены по формулам: Уизб2М = -А з2-А з,-\У 2[2Я При т1 Ф т2 используется нормализация описаний участков, т.е. приведение к каноническому виду для дальнейшего исключения min(/w,,/M2) избыточных и нулевых величин на входе и выходе. Оставшиеся избыточные и нулевые величины исключаются на последующих шагах при свертывании схемы путем эквивалентирования соседних элементов, образующих каскадное соединение, в виде одного, который в дальнейшем также эквивалентируется с другими соседними и далее
При восстановлении каскадного соединения многополюсников с целью получения единого эквивалентного элемента может возникнуть ситуация, где входы (выходы) имитационной модели подключены к источникам напряжения, а выходы (входы) имеют произвольные ограничения. Автором рассмотрен алгоритм нормализации начального участка, позволяющий снять возникающие ограничения.
Необходимо перегруппировать вектор входных W, [2л] (или выходных W2[2«]) величин относительно известных входных (выходных) напряжений, их число должно равняться количеству ограничений по выходу (входу). Векторы величин на выходе (входе) преобразуются согласно методике восстановления каскадного соединения. Соответствующие операции приведены в табл. 1.1. Преобразованные векторы W!!i[2/?2J и W 2 [2/з, J участвуют в дальнейшем эквивалентировании.
В общем случае входы (выходы) могут быть подключены к источникам тока или к комбинации источников тока и напряжения, методика нормализации аналогична приведенной в табл. 1.1
Алгоритмическая модель многопроводной системы связывает место предполагаемого повреждения с местами наблюдения. Ее эквивалентирование заключается в синтезе матрицы преобразования наблюдаемых величин в оценки напряжений и токов предполагаемого повреждения.
Рассмотрим этапы алгоритмического моделирования. Электропередача разделяется относительно места повреждения на две части - передающую и приемную. На первом этапе необходимо получить их эквивалентные многополюсники А, и Аг, как показано нарис. 1.5. W,[2«]: I ы А, А ЇГ 1-Лпі J ± 1 с. »ЛЪ ] = и,1, И1 И.
На входе передающего каскада имеем величины как напряжений, так и токов, объединенных в вектор Ws[2«]. Считаем, что на выходе приемного каскада отсутствуют источники ЭДС. В обратном случае схема рассчитывается методом наложения дважды: обнуляя на каждом этапе источники с одной из сторон, подаем на противоположный конец свой вектор наблюдаемых величин (Ws[2n] или Wr[2"]) и рассчитываем алгоритмическую модель.
Далее, рассматривая приемный каскад как Т-образное соединение, находим матрицу Yr (рис. 1.6 а), по которой вычисляем эквивалентный многополюсник АЛЭКВ, что отображено на рис. 1.6 6. Полученный элемент образует каскадное соединение.
Линии электропередачи могут состоять из нескольких однородных участков, отличающихся удельными параметрами и числом проводов. В описание некоторых из них могут включаться помимо фазных проводов и грозозащитные тросы. В случае двухцепной линии электропередачи или нескольких линий, расположенных достаточно близко друг к другу, необходим учет взаимного влияния параллельных линий. Таким образом, вся ЛЭП разбивается на отдельные участки, каждый из которых представляется в виде эквивалентного многополюсника. Далее полученные многополюсники соединяются каскадно друг с другом. В случае нарушения токового соединения применяется общий метод восстановления каскадного соединения.
Модель однофазного двухобмоточного трансформатора
Стандартный метод расчета замыканий в трансформаторе основан на решении системы уравнений для магнитно и электрически связанных цепей обмоток трансформатора [51, 52]. Для расчета этим методом необходимо выбрать моделируемый режим и составить систему уравнений. Для задач дальнего резервирования это неудобно, поскольку система уравнений получается большой, и выполнить ее расчет затруднительно. При этом для каждого вида замыканий необходимо составление и решение своей системы уравнений. Метод каскадного эквивалентирования энергосистем лишен данных недостатков, поскольку основан на представлении всех элементов системы в виде матриц передачи, необходимо лишь состыковывать входные и выходные величины каскадно соединенных элементов.
Моделирование трансформатора существенно отличается от моделирования линии электропередачи. В отличие от линии, трансформатор - это пространственно сосредоточенный объект (рис. 2.1). Поэтому количество всевозможных замыканий увеличивается. 2.2 Модель однофазного двухобмоточного трансформатора
Конструкция обмотки однофазного двухобмоточного трансформатора такова (рис. 2.1), что наиболее вероятными повреждениями будут витковые замыкания в обмотках, замыкание обмотки высшего напряжения на обмотку низшего напряжения и замыкания на корпус на стороне высшего напряжения, как показано на рис. 2.2. Обязательным условием замыкания обмотки высшего напряжения на обмотку низшего напряжения является наличие контура, поскольку обмотки трансформатора гальванически развязаны.
Рассмотрим трансформатор в виде каскадного соединения обмотки высшего напряжения, магнитопровода и обмотки низшего напряжения. Каждую обмотку трансформатора представим в виде трех последовательно соединенных катушек с магнитным сердечником. Введем дополнительный канала передающий через все элементы трансформатора ток и напряжение без изменения. Данная структура позволит моделировать как нормальный режим работы трансформатора, так и повреждения.
В реальном трансформаторе не все индукционные линии, которые возбуждаются первичной обмоткой, будут охватывать вторичную. Точно также через вторичную обмотку проходят такие индукционные линии, которые рассеиваются в окружающей среде, не попадая в первичную обмотку. Магнитные потоки рассеивания наводят каждый в своей обмотке э.д.с. подобно тому, как это имеет место в любой катушке, через которую проходит переменный ток. Поэтому мы можем заменить трансформатор с магнитным рассеиванием трансформатором без магнитного рассеивания, у которого как первичные, так и вторичные витки охватываются одним и тем же магнитным потоком, но у которого перед первичной и после вторичной обмотки включены добавочные индуктивности, в которых наводятся такие же реактивные э.д.с, какие наводятся в соответствующих обмотках магнитными потоками рассеивания. Далее логично предположить, что эти катушки имеют такие же активные сопротивления, как и обмотки трансформатора, тогда мы получаем трансформатор без активных потерь и без магнитного рассеивания, но у которого данные потери учитываются в последовательно включенных катушках. Поэтому, как показано на рис. 2.3, в модель трансформатора дополнительно введены катушки.
Достоинством предложенной модели является то, что ее внутренняя структура постоянна и инвариантна как к нормальному режиму работы, так и к замыканиям в трансформаторе. Моделирование режимов работы при этом сводится лишь к операциям с зажимами: достаточно лишь «оборвать» или «закоротить» между собой выводы многополюсника, пример на рис. 2.6. Предложенная модель включается в каскад линий и не нарушает условий каскадного соединения элементов энергосистемы. иап /дп] R» и№ г] двн —обмэл іддп дп] дВН—обммг [илп Гп] К илп /дп1 и г] и"" 1Б")У-и in J feHZn] [ЕТФГ] ВНФВН] \цт Г" ит Ґ" 1bd-21 i-21 j [шиї"] [ЕТФТ] Е7Ф.Т-Ф7] , иг IT] У-3] і-зі J ктіт] [ЕТФ.Т] ЕТФТ-ФТ] , Обмотку на стороне высшего напряжения трансформатора, рис. 2.4 описывает уравнение прямой передачи - WM = А м W, где АЦМ - матрица прямой передачи обмотки, равная Ам =R3llAMMAMMr(RMr)-1. Матрица АЦЭЛ описывает электрическую часть обмотки, Адммг - магнитную часть обмотки высшего напряжения трансформатора. RM и RMr- матрицы переключений. RMr -описывает ограничения накладываемые магнитопроводом. R3J1 - описывает соединение катушек, из которых состоит обмотка трансформатора.
Замер виртуального реле сопротивления
В защите «Бреслер-0107.030» проблема выявления повреждения отпаечного трансформатора решена путем расширения информационной базы. С помощью нового метода, названного информационным анализом, разработана защита дальнего резервирования, оперирующая всей доступной информацией при наблюдении за линией электропередачи с одного конца: током и напряжением предшествующего и аварийного режимов. Данная защита решает проблему выявления факта повреждения отпаечного трансформатора.
В основу защиты положен адаптивный дистанционный принцип, оперирующий с алгоритмической моделью объекта (АМО). Алгоритмическая модель объекта формирует оценки токов и напряжений в произвольных точках защищаемой линии. С помощью алгоритмической модели удается настроить виртуальные реле сопротивления (ВРС) на каждую из отпаек, если их несколько. Это позволяет упростить расчет уставочных характеристик и добавляет возможность идентифицировать поврежденную отпайку. Метод позволяет включать виртуальные реле в ветви предполагаемых повреждений согласно рис. 3.1.
Пример расположения ВРС АМО подразделяют на модель предшествующего и чисто аварийного режимов. Модель предшествующего режима формирует замер напряжений U_nfa в ветви предполагаемого повреждения по замерам напряжения (У"л и тока 7 1Л из места наблюдения. АМО в предрежиме представлена формулой: У.7=К7У.7 + К717, (3.1) где Цт - фазное напряжение предрежима в месте установки защиты, В; 7"д - ток предрежима в месте установки защиты, А; К7, К7 передаточные коэффициенты предрежима АМО; U_7 - фазное напряжение предрежима в ветви повреждения, В. В предшествующем режиме в ветви предполагаемого повреждения отсутствовали токи, поэтому 7"л = 0. Модель чисто аварийного режима формирует замер напряжений Ц и токов ]_ в ветви предполагаемого повреждения по замерам чисто аварийных составляющих напряжения Ц и тока Ґ из места установки защиты. Модель АМО в чисто аварийном режиме представлена формулой:
Учитывая, что /т/ = р, U" =U +U"f3, на основании (3.1) и (3.2) получаем текущие значения токов и напряжений в ветви предполагаемого повреждения по составляющим предшествующего и чисто аварийного режимов. Алгоритмическая модель объекта описана формулой: ки:а + кі:л + квиа; + ]с;ґ;, U] (3.3) » тк isав j тав і/ав тав if — Аз Lis +А4 Ls где IT - текущее значение фазного напряжения в ветви повреждения, В; Г" - текущее значение тока в ветви предполагаемого повреждения, А; К,КУ,К?,К К",К7 - передаточные коэффициенты алгоритмической модели объекта. Рассмотрим принципы получения алгоритмических моделей объекта на примере сети приведенной на рис. 3.2, 3.3.
Принимая равенство сопротивлений прямой и обратной последовательности без учета распределенной емкости, получаем уравнения связи места установки ВРС с местом наблюдения в чисто аварийном режиме.
Кроме АМО в ВРС входит формирователь алгоритмического замера сопротивления, который объединяет информацию о токах и напряжениях различных режимов (предшествующего и чисто аварийного) в единый алгоритмический параметр - замер текущего сопротивления ZBPC в месте предполагаемого повреждения. Специфика защищаемого объекта (отпаечного трансформатора) такова, что возможны только два вида повреждения на низшей стороне трансформатора - междуфазное и трехфазное замыкания, т.е. можно рассматривать аварийные процессы только для безнулевых составляющих. В защите предусмотрен отдельный формирователь сопротивления для каждого вида замыкания. Зная токи и напряжения прямой и обратной последовательности в ветви предполагаемого повреждения можно сформировать три междуфазных и один трехфазный замер сопротивления.
Орган выявления места замыкания
В данном параграфе представлены результаты исследования, направленного на повышение чувствительности защит линий в неполнофазных режимах, приводящих к повреждению ответвительных трансформаторов [56, 57].
Защита дальнего резервирования (ЗДР) устанавливается на головных концах линии электропередачи и обеспечивает выявление повреждений в силовых отпаечных трансформаторах или на стороне их низшего напряжения. Однако, в последние годы увеличилось количество повреждений силовых трансформаторов ответвительных подстанций в режимах продольно-поперечной несимметрии в линии, т.е на стороне высшего напряжения трансформаторов. Ниже предлагается вариант выявлении таких режимов с помощью защиты дальнего резервирования.
Выдержка из распоряжения по итогам расследования технологического нарушения на ПС Привокзальная филиала "Туланерго" ОАО "МРСК Центра и Приволжья": «1 декабря 2010 г. в результате обрыва провода фазы «С» ВЛ 110 кВ Обидимо-Октябрьская с отп. Производственного отделения Тульские электрические сети (ПО ТЭС), с падением на землю в сторону тупиковой ПС 110 кВ Привокзальная и обрывом в сторону источника питания (ПС 110 кВ Обидимо) без замыкания на землю, возник неполнофазный режим, что вызвало работу защит минимального напряжения на ПС Привокзальная. АВР 6-10 кВ на ПС Привокзальная отработали успешно. Обмотка 110 кВ Т-1 ПС Привокзальная длительно обтекалась током однофазного замыкания на землю, т.к. нейтраль трансформатора в нормальной схеме заземлена. При этом резервные защиты ВЛ 110 кВ (ТЗНЛ) со стороны ПС Обидимо не чувствительны и не работали. Дифференциальная защита Т-1 по принципу действия в данном режиме также не работала. Длительное протекание тока замыкания на землю через заземленную нейтраль Т-1 ПС Привокзальная привело к разрушению вывода нейтрали ПО кВ Т-1 с выбросом и воспламенением масла. При этом работала газовая защита Т-1, короткое замыкание отключалось после срабатывания КЗ и ОД на ПС Привокзальная. ДФЗ ВЛ ПОкВ на ПС Обидимо с успешным АПВ. Вытекание масла через поврежденный ввод нейтрали ПО кВ Т-1 и короткое замыкание привело к возгоранию силового трансформатора».
То есть на отпайке присутствовал режим обрыва фазного провода воздушной линии со стороны высшего напряжения трансформатора с его одновременным замыканием на землю со стороны трансформатора.
В сетях 110 кВ основной защитой при данных видах повреждений является токовая защита нулевой последовательности, но ее чувствительности, как правило, недостаточно. Защиты ответвительного трансформатора (если они есть) не чувствительны к данному режиму, поскольку измерительные трансформаторы тока защит на стороне высшего напряжения соединены в треугольник, и токи нулевой последовательности замыкаются в нем, не фиксируясь в дифференциальном реле. В литературе встречается вариант совершенствования защит для выявления данного вида повреждения [58-64]. Например, предлагается отключение трансформатора ответвительной подстанции в этих условиях производить дополнительной токовой защитой нулевой последовательности, включив трансформатор тока в нейтраль трансформатора. Защита трансформатора будет иметь две выдержки на отключение. Первая работает на отключение выключателя трансформатора или на включение короткозамыкателя 110 кВ. Вторая - на отделитель 110 кВ в цепи трансформатора при отказе в отключении выключателя, или если включение короткозамыкателя не привело к отключению линии. Однако, такое решение не исключают необходимость резервирования защитами линий при отказе отделителя или выключателя.
Рассмотрим неполнофазные режимы на примере сети приведенной на рис. 3.17. Для наглядности используем реальные параметры элементов. Системы, обозначенные символами s и г, вносятся в модель сопротивлениями прямой (обратной) и нулевой последовательности: Zu = ZXr =2 +/7 Ом , Z0( = Z0r =5 +/17.5 Ом. Линии электропередачи заданы параметрами: тип опоры ПБ110-1, марка провода АС-120/19, марка трос С-70, длина линий равна 10 км. Трансформаторы типа ТДН-10000/110 с сопротивлением ZT) = ZT2 =7.95 + /139Ом. Коэффициент загрузки трансформаторов к = 0.5 и cos pHr=0.8. Нейтраль трансформаторов на стороне высшего напряжения заземлена.
Имитационное моделирование выполнялось методом каскадного эквивалентирования. Проводились опыты: обрыв фазы «А» в точках «Ol» и «02», обрыв фазы «А» в точке «02», сопровождающийся однофазным замыканием со стороны трансформатора (рис. 3.17).
Похожие диссертации на Совершенствование микропроцессорной защиты дальнего резервирования и обобщение опыта ее эксплуатации
