Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обоснование разработки защиты генератора от внутренних к.з. на базе микро-ЭВМ 8
1.1. Предпосылки и тенденции использования ЭВМ для осуществления функций РЗА 8
1.2. Анализ цифровых.защит генератора от внутренних междуфазных к. з ІЗ
1.3. Обоснование структуры защиты генератора на базе микро-ЭВМ с объединением нескольких признаков для определения повреждения 17
Выводы 21
Глава 2. Исследование аппаратного и программного обеспечения защиты генератора от внутренних к.з. на базе микро-эвм 23
2.1. Погрешности дискретизации входных сигналов защиты 23
2.2. Определение структуры аппаратного обеспечения и характеристик отдельных устройств защиты 36
2.3. Учет некоторых особенностей при разработке программного обеспечения защиты 54
2.4. Алгоритм защиты с объединением нескольких признаков для определения повреждения
Выводы 63
Глава 3. Выбор цифровых фильтров и характеристик торможения защиты генератора.от.внутренних,к.з. на.базе микро-ЭВМ 65
3.1. Цифровые частотные фильтры защиты 65
3.2. Цифровые фильтры.симметричных с ос тавляющих защиты 74
3.3. Выбор характеристик торможения защиты 83
3.4. Алгоритмическая реализация характеристик торможения защиты 100
В ы в о д ы 104
Глава 4. Экспериментальное исследование функционирования программируемой защиты генератора от внутренних К.3 106
4.1. Экспериментальная проверка функционирования блоков программируемой защиты генератора 106
4.2. Лабораторные испытания макета программируемой защиты генератора от внутренних к.з 121
4.3. Опробование программируемой защиты на турбогене раторе ТВФ-63-2 133
Выводы 138
Заключение 140
Литература
- Предпосылки и тенденции использования ЭВМ для осуществления функций РЗА
- Погрешности дискретизации входных сигналов защиты
- Цифровые частотные фильтры защиты
- Экспериментальная проверка функционирования блоков программируемой защиты генератора
Предпосылки и тенденции использования ЭВМ для осуществления функций РЗА
С появлением в конце б0-х годов средств цифровой вычислительной техники в системах диспетчерского управления энергетикой был поставлен вопрос о возможности применения ЭВМ для выполнения функций релейной защитыL 4-І, 56, 101, III, 115, 124-, и др. ] . Он определился усложнением структуры ЭЭС и большими возможностями цифро -вых вычислительных средств в гибкости,приспосабливаемости к внешним условиям. В большой мере этому способствовало стремление к однородности структуры управления,часть которого представляет РЗА, к унификации применяемого оборудования. Кроме того, преимущество указанных средств заключается в требовании совместимости вновь разрабатываемых интегральных схем и устройств с существующими, как по аппаратному, так и программному обеспечению. Важным моментом яви -лось также бурное развитие и значительное удешевление микропроцессорной техники.
В развитии исследований по применению ЭВМ для защиты энергетических объектов можно выделить несколько этапов. На первом (конец 60-х годов) осуществлены постановка проблемы,выявление потенциальных преимуществ цифровых защит по сравнению с традиционными аналоговыми защитами,разработка алгоритмов и программ некоторых защит с использованием известных в релейной защите принципов. Основная концепция этого периода: установка на подстанции одной достаточно мощной мини-ЭВМ, на которую возложены все функции защиты или функции всех резервных защит. Обеспечение необходимой надеж -ности предполагалось осуществлять резервированием процессоров и ответственных периферийных устройств [56,115,124] . Однако реализация защит на физических моделях показала несостоятельность та -кой концепции из-за необходимости большой вычислительной мощности ЭВМ, низкой ее надежности и значительной стоимости.
Второй этап (начало 70-х годов) характеризовался более раз -вернутыми теоретическими и экспериментальными исследованиями как в лабораторных условиях, так и на действующем оборудовании [3,8, 47,99,103,107,ПО,113,116,121] . В структурном аспекте выдвигается "островной" принцип организации системы ЭВМ на подстанции,т.е. выделение отдельных машин для групп оборудования,например,каждого уровня напряжения [lI7] .
Третий этап исследований, начиная с 1975 года,знаменуется широким изучением вопросов реализации программируемых защит [6,24, 40,49-51,98,102,104,106,109,112,120,122,123] . В этот период выдвигается концепция вычислительной сети из ЭВМ. Подвергаются детальному анализу предельные (полностью централизованная защита, полностью автономные цифровые защиты) и компромиссные варианты [99] . Под централизованной понимается система,когда центральная ЭВМ принимает информацию от всех объектов подстанции,формируя общий банк данных для выполнения всех функций защиты. Автономной называется система при использовании отдельной ЭВМ для выполнения определенных ограниченных функций защиты и возможном отсутствии связи с центральной ЭВМ. В работе [99] отмечается,что резервная защита при обоснованной степени централизации может иметь быстродействие, сопоставимое с быстродействием основной защиты.
Появление и бурное развитие в этот период микропроцессорной техники в значительной мере позволило удовлетворить требования аппаратного обеспечения компромиссных вариантов для совокупности защит электростанций или подстанций. Так например в Отделе энергетики Коми филиала АН СССР с участием автора разработана возможная концепция интегрированной иерархической структуры ПЗА объекта ЭЭС, для которой характерными являются следующие положения [43] : - программируемые защита и автоматика (ПЗА) по возможности выделяются в отдельную подсистему АСУТП объекта (станции,подстанции и т.д.), как одна из наиболее ответственных управляющих систем; - иерархия управляемого объекта (электростанции,подстанции), а также топология размещения защищаемых агрегатов (генераторов и трансформаторов блоков, линий электропередачи, шин и т.д.) определяют по меньшей мере два иерархических уровня управления:верхний - объектный и нижний - агрегатный. Нижний уровень выполняет функции защиты и противоаварийной автоматики,самоконтроля,формирует сообщения о своем функционировании на верхний уровень. Верхний уровень при необходимости осуществляет функции управления (перестройка уставок) и адаптации ПЗА нижнего уровня к режимам ЭЭС,контроля нижнего уровня, автоматического ввода микро-ЭВМ включенного резерва, фиксирования информации о работе ПЗА и пара-метрах аварийного режима;
Погрешности дискретизации входных сигналов защиты
Определение периода выборки измерений для заданных условий является одной из основных задач при цифровой обработке информации [16,29,34,35,37,66,67,89] . Перспективным направлением в ее решении является использование известных амплитудно-частотных свойств входного сигнала зашиты.
Известно, что дискретизация сводится к замене непрерывного сигнала его измерениями (отсчетами) в фиксированные моменты времени, по которым затем можно восстановить исходный сигнал с некоторой погрешностью. Из различных алгоритмов дискретизации [35] наиболее широкое применение нашел алгоритм измерения сигнала через равные интервалы - период выборки - независимо от поведения измеряемой функции. Погрешности, возникающие при дискретизации и последующем восстановлении входного сигнала, можно разделить [25] на: погрешность усечения, погрешность дрожания, погрешность наложения и погрешность квантования.
Для токов статора генератора в переходном процессе характерны гармоническая составляющая промышленной частоты - U sLntyt + y) при Co=zSi50 , и апериодическая составляющая -ULe с постоян-ной времени 0,5-0,01 с ( = 2-100). В относительных единицах, при U6X = I, характерные входные сигналы можно рассматривать в ви-де синусоиды $in(o0t(v=o) 1 косинусоиды cosout(y=-j) и экспоненты е
Изучение погрешностей дискретизации проведем на примере этих сигналов.
Согласно теореме Котельникова [70] число отсчетов для идеального восстановления исходного сигнала должно быть бесконечным, т е где ««Ядг , =0, ± I, ± 2, ..., а « .)= О при оэ игр (так называемый конечный или финитный спектр сигнала).
Реально используется конечное число отсчетов, что вызывает погрешность усечения ви . В работе [25] ошибку усечения предла гается оценивать по формуле. где Т - период выборки, f =JY » - число используемых отсчетов. Однако связь между ошибкой усечения, периодом выборки и числом отсчетов достаточно сложная. Для сигналов защиты ошибка усечения проявляется при определении функции изменения сигнала между соседними отсчетами. В работе [34-] погрешность усечения и период выборки связаны следующим образом: у$Тигр. . (2.3)
Однако это соотношение дает существенно завышенную оценку 8 , поскольку оно получено в предположении, что все частоты ДО &у . имеют мало отличающиеся между собой амплитуды. К рассматриваемому случаю автором уточнена граница # следующим образом.
Пусть условия срабатывания защиты записаны как ЩЮ №п).#аач).сг] , (2.5) где Ay(tn)=#(n)-#(tnJ, tfLn.rtn+f tn ri п- = 1,2,3,...; Сj и С2 - постоянные, используемые в условии срабатывания (например,уставки). Ошибка дрожания 6 ,. для дискретного представления сигнала связана с нестабильностью периода выборки Т. Оценим ее при еле -дующих условиях. Период Т определяется таймером ЭВМ,работающим от кварцевого генератора. По справочнику [38] нестабильность кварцевого генератора, а, следовательно, и периода выборки составляет ген = 10" - 10 . Ошибку дрожания можно определить как изменение сигнала за время Т отклонения от заданного периода выборки, т.е. Щ» ІУт(фТ ІУжЮІ-т « . (2.15) Разделим обе части (2.15) на lymJ№SP. Щр.т еген (2.16) и воспользуемся определением Мгр.Т из (2.II). Тогда Пусть 6 =0,1; .=10 . В этом случае ,.=0,45 10 =4,5% к# . Следовательно, погрешность дрожания для сигналов про -граммируемых защит пренебрежимо мала и ее можно не учитывать.
Характерным свойством дискретного преобразования является размножение частотного спектра входного сигнала [14] заключающееся в том, что спектр восстановленного сигнала зеркально отражается относительно частоты у- , где Т - период выборки, и за -тем повторяется через п.у ( п- ї»2»"») (рис.2.la).
Цифровые частотные фильтры защиты
Техническое совершенство защиты генератора от внутренних к.з. в большой степени определяется условиями ее срабатывания, учитывающими режим работы генератора и измерительных стройств. К мерам,улучшающим характеристики функционирования защиты,относится использование аварийных составляющих входного сигнала, в частности, составляющей обратной последовательности. Правильная работа фильтра в свою очередь, требует использования составляющей сигнала основной частоты. Разработки настоящей главы посвящены выбору параметров,определяющих условия срабатывания защиты, и построению фильтров,позволяющих реализовать эти условия.
Цифровые частотные фильтры защиты
В соответствии с функциональной схемой (рис.1.1) алгоритм защиты генератора включает цифровой частотный фильтр. К настоящему времени теории и созданию цифровых частотных фильтров посвящено большое количество работ, например [14,22,23,65] . Имеются примеры применения цифровых частотных фильтров в программируемых защитах [5, 30, 121] .
Сформулируем особенности применения цифровых частотных фильтров для программируемых защит: - малое время на вычислительные операции, связанные с фильтрацией, ввиду необходимости выполнить ее в пределах менее одного периода выборки, который для программируемых защит составляет 0,5 2,5 мс. За это время процессор должен выполнить как опера -ции,связанные с фильтрацией сигналов, так и операции,определяемые алгоритмом защиты. - применение сравнительно узкополосных фильтров ( 10 20% от основной частоты полосового фильтра), что связано с выделением определенных частот, таких как, например: 50 Гц, 100Гц, 150Гц; - стремление к уменьшению постоянной времени фильтра, определяемое требованиями быстродействия защиты; - использование относительно большого по сравнению с периодом выделяемой составляющей периода выборки входного сигнала (напри мер: при времени между замерами Т =— с для составляющей 50Гц 600 используются 12 замеров за период выделяемой составляющей, а для 150Гц - только четыре замера).
С учетом перечисленных особенностей определим принципы работы и дадим методику расчета параметров цифровых фильтров мгновенных значений измеряемых сигналов применительно к программируемой защите. В основе алгоритма линейного цифрового фильтра лежит выражение [22] : б=о gJ tn=o m (3.1) где кг, В - вещественные коэффициенты; і , m и /г - целые числа (п т » п В ); ос и входной и выходной,соответственно,сигналы фильтра. При А0=1 и(пТ)=:ЬпХ(пТ-тТ)-21А,іі(лТ-ЄТ). m=o - У Є=1 tc (3.2) При ке =0, где =1,2,3...,/. Фильтры алгоритма (3.3), когда выходной сигнал зависит только от значений входного сигнала, называются нерекурсивными. Фильтры по (3.2), в которых выходной сигнал зависит еще и от значений выходного сигнала в предыдущие (п- ) Т моменты времени, носят название рекурсивных. Значения М и I определяют порядок нерекурсивного и рекурсивного, соответственно, фильтров. Определение передаточных функций фильтров выполняется с помощью 2 - преобразования, рассмотренного в [14, 22, 23, 65] . Для передаточной функции вида
Как и для спектров сигналов переход к цифровому представле -нию фильтров приводит к так называемому "размножению". АЧХ и ФЧХ, т.е. повторению при частотах, кратных z$/T (см.раздел 2.1). Поэтому частотные характеристики фильтров рассматриваются только в полосе частот о « оз -у±Щ,
Существует ряд методов синтеза цифровых фильтров [22, 65] . Рассмотрим здесь определение параметров и характеристик элементарных цифровых фильтров первого порядка по заданной граничной частоте пропускания /ft и фильтров второго порядка по заданным верхней f и нижней /н граничным частотам полосы пропускания.
Экспериментальная проверка функционирования блоков программируемой защиты генератора
Для проверки положений по дискретному преобразованию сигналов защиты на вход УВХ подавались аналоговые сигналы: синусоидальный или экспоненциальный, которые в цифровой форме запомина -лись в ОЗУ микро-ЭВМ и в дальнейшем выводились на печать. Поскольку разделить погрешность дискретизации на составляющие достаточно сложно, выполнена оценка результирующей погрешности при периоде выборки Т =—-—с. 600 т _ _=9fi 7гртгриий АИП w М — TZL Р.таФТлпФтлттРптто пттентга лі ны как для крайних отсчетов, так и для центрального среднего.Дис В соответствии с вышеизложенным выполнялись несколько измерений и оценивались статистические параметры полученных выборок. Пример одной из выборок дан в табл.4.1 для сигнала u(t)=U sinOPt при 4,=96 делений АЦП и ьэ = 314. Статистические оценки вычисле кретное изменение сигнала рассчитывалось как се т сот \ Ч а аналоговое =Umcos arcsiiL- - - (4.2)
В результате обработки всех выборок синусоидального сигнала математическое ожидание и дисперсия погрешности дискретизации составили для центрального среднего и крайних отсчетов соответст -венно: М.0.(р.) =1,2; 6) = 4,1; М.0.(5 1,8; 6({ к?) =17,3. Относительные погрешности дискретизации при w = -трг- =12, приведенные в шкале АЦП (511 делений), с оставили 1,03 - 0,8% (из рис.2.3 менее 2%) для центрального среднего отс -чета, и 3,8 - 3,4% (из рис.2.3 менее 9%) для крайних отсчетов.
Аналогичные измерения и расчеты выполнены для ряда выборок сигнала u(t)=Ume , смоделированного аналоговыми цепями, при Z =503 деления АЦП и Г =о,05с. Одна из выборок представлена в табл.4.2. Дискретное изменение сигнала рассчитывалось как K-UT1 (4.3) а аналоговое - ( -).
Обработка ряда выборок экспоненциального сигнала позволила определить математическое ожидание и дисперсию погрешности дис -кретизации сигнала для крайних отсчетов и центрального среднего соответственно: М.О. ( р )=5,3; &(КР) =9,6;Ш). (&сл) =1,2; (&ср) = 9,5. Максимальные погрешности дискретизации при W = у = 30, приведенные к шкале АЦП, составили 2,9 - 1,9% (из рис.2.3 менее 11%) для крайних отсчетов и 2,1 - 1,9% (из рис.2.3 менее 5%) для центрального среднего отсчета.
Сопоставление результатов, полученных в разделе 2.1, с результатами измерений показывает, что погрешности дискретизации при измерениях не превышают зависимостей, представленных на рис.2.3; причем погрешности для центрального среднего отсчета меньше,чем при использовании крайних отсчетов, а соотношения между погрешностями, полученными из измерений,соответствуют соотношениям, полученным теоретически.
К элементам ввода аналогового сигнала следует отнести пре -образователь тока в напряжение ТТН и элементы УВХ. ТТН выполнен на базе трансформатора тока ТК-20 и содержит четыре витка в первичной обмотке и 1262 витка во вторичной, в соответствии с методикой расчета,изложенной в [84] . Вторичная обмотка трансформатора нагружена на фазирующее сопротивление I кОм 2 Вт. Для ТТН измерялись амплитудно- и фазочастотные характеристики, а также зависимость UgT = 4(Inep) , причем фазочастотные параметры измерялись с помощью осциллографа, следовательно, характеристика отражает, главным образом, качественные свойства ТТН по указанному параметру. Результаты измерений показаны в табл.4-.3 и на рис.
Зависимость Ugr f(Inef) снималась только при одном значении фазирующего сопротивления R = I кОм, поскольку сопротивление нагрузки вторичной обмотки (вход канала УВХ) превышает его более, чем в 20 раз, и практическмзменяет свойств ТТН. Из измеренных зависимостей используемых в защите трансформаторов в табл.4.4- и на рис.4.2 представлены две крайние: максимальная и минимальная. Для этих характеристик в соответствии с разделом 3.3 построены зависимости K /f/J (табл.4.5 и рис.4.3).
