Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование проблемы адекватной настройки высокочастотной дифференциально-фазной защиты 12
1.1 Общая характеристика исследуемой проблемы 12
1.2. Анализ существующих средств моделирования 17
1.3. Выводы 29
ГЛАВА 2. Концепция и методика всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 31
2.1. Общие положения концепции всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 31
2.2. Методика осуществления концепции всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 33
2.3. Выводы 35
ГЛАВА 3. Всережимные математические модели дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 37
3.1. Всережимная математическая модель дифференциально-фазной защиты линий электропередачи на электромеханической элементной базе 37
3.2. Всережимная математическая модель дифференциально-фазной защиты линий электропередачи на микропроцессорной элементной базе 63
3.3. Всережимная математическая модель высокочастотного тракта дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 73
3.4. Выводы 83
ГЛАВА 4. Реализация средств всережимного моделирования дифференциально-фазных защит линий электропередачи 85
4.1. Программная реализация всережимных математических моделей дифференциально-фазных защит линий электропередачи 85
4.2. Экспериментальные исследования средств всережимного моделирования дифференциально-фазной защиты ДФЗ-201 линий электропередачи 97
4.3. Экспериментальные исследования средств всережимного моделирования цифровой дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 144
4.4. Выводы 151
Заключение 153
Список литературы 155
Приложение а. Методики расчета уставок высокочастотной дифференциально-фазной защиты различных исполнений 167
Приложение б. Основные фрагменты программной реализации разработанных математических моделей высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи 180
- Анализ существующих средств моделирования
- Методика осуществления концепции всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
- Всережимная математическая модель высокочастотного тракта дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
- Экспериментальные исследования средств всережимного моделирования цифровой дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
Анализ существующих средств моделирования
Для адекватного воспроизведения исходных режимных величин для целей релейной защиты, позволяющего снизить влияние этого фактора, модель энергосистемы, включая вс е основное и вспомогательное оборудование, должна отвечать ряду требований:
1. Отсутствие декомпозиции процессов в моделируемой ЭЭС. Декомпозиция процессов в ЭЭС предполагает их разделение на различные стадии протекания и возможный неучет какой-либо из этих стадий (электромагнитная, электромеханическая) при моделировании, но поскольку в реальной энергосистеме процессы протекают непрерывно во всем спектре нормальных, аварийных и послеаварийных режимов, а каждый последующий режим неразрывно связан с предшествующим (одновременное существование различных по скорости протекания процессов также возможно), при декомпозиции не обеспечивается достоверного воспроизведения процессов в ЭЭС. Так, например неучет электромагнитной составляющей переходного процесса исключает возможность воспроизведения апериодической составляющей токов короткого замыкания, что приводит к потере достоверности первичной режимной информации, используемой для настройки РЗ, в частности ВЧДФЗ. Также для достаточно полного и достоверного воспроизведения процессов в ЭЭС необходимо использовать ее всережимную модель, включающую модели всего значимого оборудования данной ЭЭС.
Для бездекомпозиционного моделирования процессов в ЭЭС также необходимо е представление в трехфазном виде. Это свойство модели позволит воспроизвести весь спектр нормальных, анормальных и аварийных режимов без необходимости его разделения на симметричные составляющие и связанных с этим трудностей, таких как определение параметров нулевой последовательности оборудования и необходимость в дополнительном построении схем для отличных от промышленной частоты гармонических составляющих [68].
Математическое описание процессов в ЭЭС должно осуществляться с помощью системы дифференциальных уравнений, которая позволяет, при условии учета в ней всех значимых параметров моделируемого оборудования, адекватно воспроизводить весь спектр режимов и процессов. При этом для создания достаточно полных и достоверных математических моделей основного и вспомогательного оборудования ЭЭС необходимо учесть следующее:
В качестве модели синхронной машины (СМ) должны быть использованы полная система уравнений Парка-Горева с учетом преобразования d,q координат в фазные и наоборот и уравнение движения ротора. При этом адекватными математическими моделями должны воспроизводиться: системы возбуждения СМ, различного принципа действия и исполнения, с учетом автоматических регуляторов (АРВ), оказывающих существенное влияние на протекание токов короткого замыкания; первичный двигатель СМ с учетом всех его значимых параметров и основных характеристик, а также его регуляторов со своими системами управления. Синхронные двигатели моделируются аналогично модели СГ, с учетом собственной системы возбуждения, отсутствия первичного двигателя и адекватного воспроизведения момента приводимого механизма на валу. Асинхронный двигатель моделируется подобно синхронному за исключением системы возбуждения.
Модель силового трансформатора должна объединять в себе систему уравнений трех фаз магнитосвязанных соответствующими потоками контуров обмоток, уравнение баланса магнитодвижущих сил с учетом насыщения стали магнитопровода.
Для обеспечения адекватного воспроизведения процессов в модели линии электропередачи (ЛЭП) необходимо использовать систему уравнений, описывающих процессы в ней с учетом распределенности параметров для длинных ЛЭП. Кроме того, достаточно полное и достоверное моделирование подразумевает также учет электромагнитного взаимовлияния многоцепных и достаточно близко расположенных параллельных ЛЭП. При этом для воспроизведения широкого спектра анормальных и аварийных режимов, используемого для полноценной проверки и настройки устройств РЗ, необходимо моделировать всевозможные трехфазные продольные и поперечные коммутации ЛЭП, а также измененяемое место возникновения предполагаемой анормальности.
Модели обобщенной нагрузки необходимо реализовывать с помощью дифференциальных уравнений, учитывая при этом характер нагрузки (активная, индуктивная, емкостная или сочетание этих видов), а также возможность задания закона е изменения с помощью системы управления, в том числе в автоматическом режиме.
Устройства релейной защиты, противоаварийной автоматики и систем управления необходимо моделировать с учетом протекания процессов в самих устройствах и в измерительных трансформаторах. Необходимость подобного моделирования обусловлена наличием обозначенных ранее погрешностей, возникающих в аппаратуре РЗ и ПА и измерительных трансформаторах.
2. Обеспечение решения полученной совокупной математической модели ЭЭС, представляющей собой жесткую систему дифференциальных уравнений чрезвычайно высокого порядка, с гарантированной и приемлемой точностью на интервале возможного протекания процессов.
Для оценки соответствия перечисленным требованиям выполнен анализ свойств и возможностей следующих современных программно-вычислительных (ПВК) и программно-технических (ПТК) комплексов, используемых для расчета уставок РЗ и для моделирования реальных ЭЭС:
Методика осуществления концепции всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
Электромеханические ВЧДФЗ, предназначенные для защиты ЛЭП высокого класса напряжения, представлены следующими типами защит: ДФЗ-201, ДФЗ-402, ДФЗ-504. Каждая из указанных защит представляет собой усовершенствованную модификацию первоначально разработанной защиты ДФЗ-2.
На основе анализа схем указанных панелей ДФЗ сформирована приведенная на рисунке 3.1 обобщенная схема электромеханической ВЧДФЗ, включающая элементы всех этих панелей, на которой: КА1, КА2 – реле тока типа РТ-40; КZ1, КZ2 – обмотки индукционного реле сопротивления KZ; TAV, TAV1, TAV2 – трансреакторы; TAL – промежуточный трансформатор тока; TLV – промежуточный трансформатор напряжения; TLV2 – промежуточный автотрансформатор; TLA0, TLA2 – промежуточные трансформаторы тока нулевой и обратной последовательностей; TL1, TL2 – промежуточные трансформаторы; VS0, VS2, 2.VS1, 2.VS2 – выпрямительные мосты; KAZ1, KAZ2, KS1, KS2 – поляризованные реле; VL1, VL2 – газонаполненные стабилитроны; 1R1, R25, R26, R251, R252 – регулируемые резисторы; R21-R24, 2R2 – нерегулируемые резисторы; С1-C5, С9, С11, 2С1 – конденсаторы, LR1-LR4 – дроссели. Для конкретного примера в работе использованы параметры элементов схемы наиболее распространенной ДФЗ-201, поэтому параметры не относящихся к данной панели элементов LR1-LR4, R21, R26 обнуляются и в дальнейшем математическом описании не приводятся. Для поэлементного анализа принципиальная схема разделена на функциональные блоки-органы, для которых составлены соответствующие схемы замещения с учтом их взаимосвязи, а также определяемые ими ПФ с соответствующими АЧХ и ФЧХ и дифференциальные уравнения, образующие в совокупности всережимную математическую модель электромеханической ВЧДФЗ без устройств компенсации емкостного тока:Здесь на рисунке 3.2 и далее Уэ/ - эквивалентная проводимость /-го узла схемы замещения. Сопротивление намагничивания TAV1 принято чисто реактивным, поскольку в соответствии с [55] потерями в стали можно пренебречь. Сопротивление нагрузки TAV1 определяется выражением:Обозначения на схеме:
1. ИПЧ, ВЛЧ и ИсЧ - соответственно измерительно-преобразовательная, вычислительно-логическая и исполнительная части защиты;
2. ИТТ и ИТН - блоки измерительных трансформаторов тока и напряжения;
3. TVL и TAL - блоки вторичных промежуточных трансформаторов напряжения и тока трех фаз иа, щ, ис, іа, іь, іс с подключенными к TAL балластными резисторами Rб, преобразующими токи в напряжения;
4. Аналоговые фильтры нижних частот (ФНЧ) ZFV и ZFA, подавляющие свободные колебательные и принужденные гармонические составляющие входных напряжений и токов с частотами выше 250 Гц (пятая гармоника) и необходимые в связи с периодичностью амплитудно-частотных характеристик программных цифровых фильтров [52];
5. М - мультиплексор, представляющий собой управляемый переключатель (коммутатор) входных аналоговых сигналов, преобразуемых аналого-цифровым преобразователем (АЦП);
6. МП - блок микропроцессоров, выполняющих следующие программные функции:
выделение принужденных составляющих промышленной частоты напряжений и токов электромагнитных и электромеханических переходных процессов в ЭЭС - фильтрация частично отфильтрованных аналоговыми ФНЧ входных сигналов, содержащих: апериодические и колебательные свободные составляющие, а также принужденные составляющие, кратные промышленной частоте (гармоники) - программными частотными фильтрами ПЧФ;
разложение входных сигналов на ортогональные и симметричные составляющие;
измерительное преобразование информационных параметров аналогового входного сигнала: амплитуды, фазы и частоты - в цифровые сигналы;
7. Микроконтроллеры МК программно выполняют логические алгоритмы функционирования защиты.
Всережимная математическая модель высокочастотного тракта дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
ВЧ тракт состоит из следующих основных элементов [112]:
1. Участок ЛЭП, причем здесь могут использоваться различные схемы передачи ВЧ сигнала: фаза-земля, фаза-фаза, два провода одной фазы (в случае использования расщепления фазы для ЛЭП напряжением 330 кВ и выше);
2. ВЧ заградители с каждой стороны защищаемой ЛЭП для исключения воздействия ВЧ сигнала на ВЧДФЗ других ЛЭП;
3. Конденсаторы связи и фильтры присоединения ВЧ канала с каждой стороны ЛЭП;
4. Приемо-передатчики ВЧ сигнала с каждой стороны ЛЭП. Наиболее распространенным вариантом передачи ВЧ сигнала является схема «фаза-земля». В качестве ВЧ заградителя в соответствии с номинальным рабочим током выбранной для примера линии напряжением 220 кВ используется устройство ВЗ-1000-0,6 с элементом настройки ЭН-0,6. Принципиальная схема заградителя и параметры его элементов представлены на рисунке 3.30 и в таблице 3.1 соответственно. Рисунок 3.31 - Схемы резонансной настройки ВЗ-1000-0,6:
а) одночастотная; б) двухчастотная
2) двухчастотная резонансная настройка, используемая при значении верхней частоты до 600 кГц для сети 110 кВ и до 261 кГц для сети 220 кВ, при отношении частот f2 / fi = 1,1 - 2,5, когда могут быть подобраны емкости Сь С2, С3 (рисунок 3.31б) из имеющихся номиналов Сі 4- Сl2. Конденсаторы С9 4- С12 могут быть использованы в первом контуре при частоте f2 не выше 320 кГц для сети 110 кВ и 202 кГц для сети 220 кВ.
Конденсаторы Си С2, С3 набираются из имеющихся в схеме емкостей ССi2, используя различные соединения конденсаторов.
Величина Сь С2 и С3 рассчитывается по формулам:
Первый и второй контур настраиваются на верхнюю частоту раздельно по специальным схемам. Затем собирается полная схема и определяется величина активного сопротивления в зависимости от частоты и полосы заграждения. В полной схеме верхний резонанс можно подкорректировать изменением С1 и С3, а нижний резонанс – изменением С2.
3) широкополосная настройка может быть осуществлена на один из
семи диапазонов, охватывающих общую полосу частот от 40 до 600 кГц. Первый диапазон осуществляется по двухконтурной схеме; со второго по шестой – по трехконтурной, седьмой – по схеме фильтра верхних частот. Такой вариант настройки заградителей используется в случае использования ВЧ канала для передачи нескольких сигналов на различных частотах. Выбор элементов и частота настройки контуров определяется из таблицы 3.2. Рисунок 3.32 – Схема ВЗ-1000-0,6, настроенного на заграждение частот в диапазоне 90 – 185 кГц. Поскольку для действия ВЧДФЗ достаточно сигнала одной частоты, целесообразно в модели использовать схему одночастотной (130кГц) резонансной настройки ВЧ заградителя (рисунок 3.31а). Схема замещения заградителя ВЗ-1000-0,6 с учетом влияния прилегающей подстанции и соответствующий ей граф представлены на рисунке 3.33.
АЧХ и ФЧХ модели ВЧ тракта, полученные в Multisim, оказались идентичными соответствующим характеристикам модели ВЧ тракта, разработанной в соответствии с предложенной во второй главе данной работы методикой и соответствуют подобным характеристикам реальных ВЧ трактов.
Согласно приведенной в предыдущей главе методике синтезированы всережимные математические модели ВЧДФЗ электромеханического и микропроцессорного исполнения. Результаты тестового компьютерного моделирования и исследования разработанных моделей ВЧДФЗ подтвердили соответствие полученных экспериментальных характеристик конкретных элементов и функциональных блоков ВЧДФЗ теоретическим. В отличие от используемых в настоящее время в различных средствах расчета режимов и процессов в ЭЭС моделей РЗ, синтезированные модели обеспечивают адекватное воспроизведение процессов во всех элементах защиты и, соответственно, возможность определения и учета реальных погрешностей этих элементов, формируемых при конкретном спектре входных режимных величин.
Экспериментальные исследования средств всережимного моделирования цифровой дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
Проверка модели цифровой ВЧДФЗ произведена в тех же режимах, что и ВЧДФЗ на электромеханической элементной базе. Для проверки использовались уставки, рассчитанные в пункте 4.2 данной главы (таблица 4.2). Для удобства анализа поведения модели значения всех выведенных на осциллограф DPPmodels сигналов приведены ко вторичной стороне ИТ и представляют собой действующие величины.Рисунок 4.106 – Осциллограммы логических сигналов на выходе передатчика и на входе приемника, на входе и выходе ЭСФ 1-го полукомплекта защиты
Исследование поведения разработанной модели цифровой ВЧДФЗ проведено в режимах внутренних и внешних всевозможных КЗ, в режиме синхронных качаний, а также в режиме реверса мощности. При этом подтверждена высокая адекватность функционирования разработанных моделей цифровой ВЧДФЗ.
Экспериментальные исследования разработанных средств моделирования ВЧДФЗ электромеханического и микропроцессорного исполнения, проведенные в широком спектре режимов и процессов, включающем: всевозможные одно-, двух-, трехфазные внутренние и внешние КЗ защищаемой линии, синхронные качания, реверс мощности и др, подтверждают возможность определения и анализа погрешностей ИТ, конкретных функциональных блоков ВЧДФЗ и защиты в целом на различных стадиях протекания процессов. Для наглядности полученные результаты сведены в соответствующие таблицы, из которых следует, что наибольшие значения выявленных погрешностей функциональных блоков ВЧДФЗ характерны для защит электромеханического исполнения в начальный момент переходного процесса и составляют для отдельных элементов 50%. Данные результаты свидетельствуют о возможности применения разработанных средств для адекватной реальным условиям функционирования настройки ВЧДФЗ, обеспечивающей снижение вероятности их неправильных действий.
В результате выполнения диссертационной работы созданы средства всережимного моделирования ВЧДФЗ, позволяющие достаточно полно и достоверно воспроизводить реальный спектр процессов в ИТ, элементах и конкретных ВЧДФЗ в целом, обеспечивающий учет действительных погрешностей, формируемых в данном оборудовании, и адекватную условиям функционирования настройку ВЧДФЗ. Научно-техническую основу созданных средств моделирования ВЧДФЗ составили следующие новые результаты:
1. На основе анализа существующих методик и средств расчета настроек ВЧДФЗ, включая программные и программно-аппаратные комплексы расчета режимов и процессов в ЭЭС, выявлены и обоснованы причины их неадекватной настройки и, соответственно, возможных неправильных действий, главными из которых являются: 1) использование при проектировании и эксплуатации средств РЗ и ПА, в частности ВЧДФЗ, недостаточно полной и достоверной информации о возможных процессах в ЭЭС и, соответственно, в защищаемом объекте; 2) чрезмерно приближенный и обобщенный учет погрешностей, формируемых ИТ и собственно аппаратурой используемых типов защиты.
2. Основываясь на результатах этого анализа предложена концепция всережимного моделирования ВЧДФЗ, предусматривающая совокупность мероприятий, реализация которых позволит повысить адекватность настройки ВЧДФЗ конкретным условиям ее функционирования за счет определения реальных значений погрешностей ИТ и конкретных реализаций защит, и использования этой информации при расчете уставок ВЧДФЗ, исключая необходимость применения для ее коррекции обобщенных приблизительных коэффициентов.
3. В соответствии с предложенной концепцией сформулирована методика создания всережимных математических моделей ВЧДФЗ различных исполнений, позволяющая на основе детального анализа принципиальных схем конкретных реализаций ВЧДФЗ составить адекватные схемы замещения и всережимные математические модели, достоверно описывающие процессы во всех значимых элементах ВЧДФЗ, защите в целом и ИТ. Реализация разработанных в соответствии с указанной методикой моделей позволит повысить эффективность работы ВЧДФЗ за счет их адекватной конкретным условиям функционирования настройки.
4. Согласно разработанной методике синтезированы математические модели для ВЧДФЗ электромеханического и микропроцессорного исполнения, достаточно полно и достоверно воспроизводящие процессы в конкретных реализациях защит и ИТ. Результаты тестового компьютерного моделирования и исследования разработанных моделей ВЧДФЗ подтвердили соответствие полученных экспериментальных характеристик конкретных элементов и функциональных блоков ВЧДФЗ теоретическим.
5. Созданы программные средства математического моделирования ВЧДФЗ – DPPmodels, позволяющие выявлять причины неправильной работы и адекватно настраивать ВЧДФЗ различного исполнения для конкретных условий их функционирования в ЭЭС. Экспериментальные исследования данных средств, проведенные в широком спектре режимов и процессов, подтвердили возможность определения и анализа погрешностей ИТ, конкретных функциональных блоков ВЧДФЗ и защиты в целом на различных стадиях протекания процессов.
Совокупность изложенных результатов свидетельствует о достижении цели диссертационной работы, а также о е научной и практической значимости.
Похожие диссертации на Средства всережимного моделирования высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий электропередачи
