Введение к работе
Актуальность работы.
Согласно статистическим данным по аварийным режимам электротехнического оборудования эксплуатируемые системы дифференциальной релейной защиты не в полной мере соответствуют требованиям надежной и бесперебойной работы систем электроснабжения. Так, при обследовании 9302 трансформаторов напряжением до 110 кВ энергетической компанией ЕЭС России были зафиксированы за 2009 год 542 аварии. Причем, в 320 случаях выход трансформаторов из строя был вызван короткими замыканиями в обмотках. По другим данным в обследованной группе из 3020 трансформаторов напряжением 35-110 кВ за один год имело место 168 отказов защиты. По данным CIGRE в трех случаях из ста имеют место отказы либо ложные срабатывания устройств релейной защиты (УРЗ).
При существующей тенденции наращивания мощности электротехнического оборудования, соответствующего роста токов короткого замыкания и снижения времени разрушающего действия этих токов следует ожидать ухудшения приведенных показателей надежности. Для снижения ущерба от непредотвращенных аварий и ложных отключений оборудования требуются реле с высокими показателями чувствительности, селективности и быстродействия. На решение этой задачи направлены последние разработки устройств серий БМРЗ, БЭМП, Bresler, Relion, Siprotec, MiCOM, SEPAM и др. ведущих производителей релейной защиты, а также ученых университетов: МЭИ, СПГПУ, ПЭИПК, ИГЭУ, НГТУ, МГГУ, ТПУ, УГТУ(УПИ), ЮРГУ(НПИ) и других.
Улучшение показателей защиты электрооборудования требует обоснования информативных параметров сигналов и соответствующих критериев срабатывания защиты на основе уточненных представлений о режимах работы оборудования с учетом структуры и параметров распределительной сети.
Цель работы:
Повышение эффективности дифференциальной защиты путем обоснования и использования чувствительных и быстродействующих средств обнаружения внутренних замыканий на ранней стадии развития аварии.
Идея работы:
Повышение эффективности дифференциальной релейной защиты достигается за счет выделения из контролируемых токов динамических составляющих обратной последовательности, наиболее чувствительных к внутренним замыканиям, формировании амплитудных и фазовых критериев срабатывания и использования быстродействующих алгоритмов оптимальной фильтрации аварийных сигналов на фоне токов небаланса и ложных токов срабатывания защиты.
Основные задачи работы:
1.Анализ средств диагностирования и систем дифференциальной защиты электрооборудования. Обоснование направлений повышения эффективности УРЗ.
2.Разработка модели нелинейного трехфазного трансформатора с целью выявления особенностей входных сигналов защиты, вызванных коммутационными и аварийными процессами.
3.Обоснование информативных параметров сигналов для систем релейной защиты, разработка алгоритмов обнаружения внутренних повреждений и критериев срабатывания дифференциальной защиты трансформатора.
4.Разработка и исследование дифференциальной релейной защиты на основе компьютерной модели фильтра Калмана. Сравнение эффективности различных алгоритмов обработки сигналов.
5.Разработка стенда для экспериментального исследования режимов работы трансформаторов в условиях коммутаций, внутренних и внешних замыканий. Испытание микропроцессорной защиты на экспериментальном стенде.
6.Обоснование структуры микропроцессорной защиты в соответствии с предложенными критериями срабатывания и алгоритмами обработки сигналов.
Методы исследований: обобщенный метод симметричных составляющих, спектральный анализ сигналов, методы анализа нелинейных динамических систем, методы объектно-ориентированного программирования, методы оптимальной фильтрации сигналов, экспериментальное исследование физической модели трансформатора средствами NI и LabView.
Научная новизна:
Предложена уточненная модель трансформатора, учитывающая рассеяние основного потока магнитопровода в области насыщения и отображающая магнитные потери с помощью нелинейного резистора
Установлено влияние коммутационных и аварийных режимов в системе «трансформатор – распределительная сеть» на информативные параметры сигналов защиты, критичных к источнику асимметрии трехфазной системы, что позволило обосновать быстродействующий алгоритм идентификации внутренних замыканий в трансформаторе на ранней стадии развития аварии и обосновать исходные данные для эффективного функционирования алгоритма оптимальной фильтрации Калмана.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается сходимостью результатов компьютерного моделирования и аналитических расчетов. Расхождение результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования режимов функционирования прототипа защиты составляет не более 12%.
Практическая значимость работы:
1. Разработана структура дифференциальной защиты на базе предложенного помехоустойчивого и быстродействующего алгоритма идентификации межвитковых замыканий трансформатора, позволяющего обнаруживать раннюю стадию развития аварии.
2. Разработан и апробирован алгоритм оптимальной фильтрации аварийных сигналов на базе цифрового фильтра Калмана, позволяющий снизить время идентификации типа сигнала на входе УРЗ до значений, не превышающих половину периода сетевого напряжения.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГПУ», на конференциях молодых ученых СПбГГИ(ТУ), на международных и всероссийских конференциях .
Результаты реализации работы:
Результаты исследований рекомендуются к использованию в учебных дисциплинах магистерского цикла «Моделирование и программное обеспечение систем управления»
Личный вклад автора:
Разработка компьютерной модели и экспериментального стенда на базе средств NI LabView, использование средств объектно-ориентированного программирования для создания измерительных приборов и блоков цифровой защиты на базе фильтра Калмана, выполнение исследований по влиянию режимов работы трансформатора и сети, а также их параметров на входные токи объекта защиты. Разработка и апробирование предложенных алгоритмов защиты, основанных на выявленных амплитудно-фазовых соотношениях между динамическими сигналами симметричных составляющих контролируемых токов.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 156 страницах. Содержит 96 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 85 наименования и 1 приложение.
