Совершенствование алгоритмов функционирования и разработка микропроцессорной дифференциально-фазной высокочастотной защиты линий 110-220 кВ

Современные требования к работе устройств релейной защиты и автоматики (УРЗА) электроэнергетических систем (ЭЭС) в части технического совершенства заставляют искать новые пути к усовершенствованию алгоритмов работы УРЗА. Последние достижения в области технического совершенства УРЗА — повышение селективности и устойчивости функционирования — связаны с внедрение микропроцессорной (МП) техники, позволяющей программно реализовать сложные алгоритмы работы защит без значительного увеличения их стоимости.

Надежность функционирования УРЗА линий электропередачи (ЛЭП) напряжением 110 кВ и выше с двусторонним питанием, в соответствии с нормативными документами ОАО «ФСК ЕЭС», обеспечивается установкой двух комплектов защит: основной и резервной. В качестве основной защиты воздушных линий электропередачи (ВЛ) в отечественной практике релейной защиты традиционно используется дифференциально-фазная высокочастотная защита (ДФЗ). Значительный вклад в разработку принципов работы и усовершенствование алгоритмов работы ДФЗ внесли советские и российские ученые: Е. Д. Сапир, Э. И. Басс, Я. С. Гельфанд, Н. И. Овчаренко, Г. И. Атабеков, А. И. Левиуш, H.A. Дони. Попытки создания ДФЗ были предприняты за рубежом, в частности, в 1944 — 1945 гг. устройства ДФЗ выпускались американскими фирмами Вестингауз и Дженерал Электрик. Кроме этого, в это же время велись разработки образцов ДФЗ в Швеции и Франции. Однако зарубежные исполнения ДФЗ имели существенные недостатки по сравнению с отечественными, проявлявшиеся прежде всего при сложных видах повреждений на ВЛ, что привело к практически полному отказу от применения подобных защит за рубежом.

Г. И. Атабековым были выявлены недостатки работы ДФЗ, связанные с возможностью отказов срабатывания защиты по принципу ее. действия при однофазном коротком замыкании (КЗ) с обрывом фазы. Исследования работы ДФЗ при сложных видах повреждений были продолжены в работах А. Б. Чернина. В частности, им была показана возможность отказа защиты при определенных параметрах сети. В работах А. И. Левиуша. и H.A. Дони указано на смещение и увеличение зоны блокировки ДФЗ, связанные с использованием высокочастотного канала связи для передачи информации.

С учетом сказанного выше задачи совершенствованияалгоритмов функционирования ДФЗ актуальны и связаны прежде всего с обеспечением селективности защиты при сочетании неполнофазного режима и внутреннего КЗобеспечением динамической устойчивости функционирования защиты в переходных режимахповышением быстродействия защитыисключением влияния элементов? высокочастотного тракта и высокочастотных помех на работу защитыобеспечением возможности совместной работы различных исполнений ДФЗ на концах защищаемой линии. Проведенный анализ известных исполнений' ДФЗ позволяет сделать вывод о целесообразности-реорганизации функционально-логической схемы ДФЗ и совершенствования существующих алгоритмов, работы основных функциональных узлов ДФЗ.

Устойчивость ЭЭС при. нарушениях нормального режима работы, связанных с КЗво многом зависит от эффективности функционирования не только основной защиты, но и автоматики ЛЭП. Актуальность такого взаимодействия возрастает на сильно загруженных магистральных ЛЭП, на которых отключение при КЗ вызывает скачкообразные нарушения баланса мощностей, что может привести к развитию аварии. Применение эффективных устройств автоматического повторного включения (АПВ) ЛЭП совместно с быстродействующей основной, защитой позволяет избежать развития аварии. На ЛЭП с двусторонним питанием, как правило-. необходимо применение АПВ с контролем синхронизма. В настоящее время в отечественной практике получили применение МП УРЗА, в составе которых имеется функция АПВ с ожиданием синхронизма (АПВОС), обеспечивающая возможность включения линии при частоте скольжения до 0,4 Гц. Функция АПВ с улавливанием синхронизма (АПВУС) встречается в некоторых МП терминалах зарубежных производителей, а возможность ее применения ограничена частотой скольжения в пределах 0,2 1 Гц. В отечественной практике имеются решения, заключающиеся в использовании для целей АПВУС синхронизатора с постоянным временем опережения. Однако известные синхронизаторы подобного типа обеспечивают возможность включения выключателя при частоте скольжения до 1 Гц и максимальном угле опережения до 120 град, что приемлемо для целей синхронизации генераторов, но недостаточно для целей АПВУС ЛЭП. Поэтому совершенствование алгоритма функционирования АПВ с контролем синхронизма для ЛЭП с двусторонним питанием также является актуальной задачей.

Цели работы:

1. Совершенствование алгоритмов функционирования и разработка микропроцессорной дифференциально-фазной высокочастотной защиты линий 110−220 кВ.

2. Совершенствование алгоритма функционирования АПВ с контролем синхронизма линий 110−220 кВ с двусторонним питанием.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели, решаются следующие задачи:

1. Сравнительный анализ известных исполнений ДФЗ.

2. Разработка функционально-логической схемы и общего алгоритма функционирования микропроцессорной ДФЗ.

3. Совершенствование алгоритмов функционирования основных функциональных органов ДФЗ для повышения быстродействия и устойчивости функционирования защиты.

4. Разработка и исследование методов обеспечения устойчивого срабатывания ДФЗ при наложении неполнофазного режима и внутреннего однофазного КЗ.

5. Исследование и разработка алгоритма функционирования АГТВ с контролем синхронизма для линий 110−220 кВ с двусторонним питанием.

6. Разработка, исследование и внедрение микропроцессорных исполнений ДФЗ и АГТВ с контролем синхронизма для линий 110−220 кВ.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория электрических цепейтеория электромагнитных переходных процессов в ЭЭСсовременные методы математического моделирования электрических цепейаналитические и численные методы с использованием ЭВМэкспериментальные исследования на МП устройствах УРЗА.

Научная новизна и значимость полученных результатов, по мнению автора, заключаются в следующем:

1. Разработан принцип действия и функционально-логическая структура блока, обеспечивающего селективность и устойчивость функционирования ДФЗ при обрыве фазы с коротким замыканием на землю.

2. Разработан алгоритм функционирования органа манипуляции ДФЗ, обеспечивающий повышение динамической устойчивости функционирования защиты.

3. Предложен метод отстройки органа сравнения фаз ДФЗ от помех в высокочастотном канале связи, основанный на выделении за период импульсов заданной длительности и обеспечивающий повышение быстродействия защиты.

4. Разработан алгоритм коррекции фазной характеристики ДФЗ, обеспечивающий компенсацию погрешностей, вносимых элементами высокочастотного тракта.

5. Разработан новый алгоритм улавливания синхронизма для АПВ линий с двусторонним питанием, учитывающий угловую погрешность, вносимую периодом измерения угла между синхронизируемыми напряжениями.

Достоверность результатов и обоснованность основных научных положений, полученных в диссертационной работе, подтверждается исследованиями и экспериментами, выполненными как на физических и математических моделях, так и в условиях действующих электроэнергетических объектов.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы».

Соответствие диссертации формуле специальности. В соответствии с формулой специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки), объединяющей исследования по связям и закономерностям при планировании развития, проектировании и эксплуатации электрических станций, электроэнергетических систем, электрических сетей и систем электроснабжения, в диссертационном исследовании разработаны функционально-логическая схема и алгоритмы функционирования, обеспечивающие повышение технического совершенства быстродействующей дифференциально-фазной защиты линий электропередачи, а также усовершенствован алгоритм функционирования автоматического повторного включения ЛЭП с контролем синхронизма, обладающий более широкой областью применения по сравнению с известными алгоритмами.

Соответствие диссертации области исследования специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки) — развитие и совершенствование теоретической и технической базы электроэнергетики в целях обеспечения экономичного и надежного производства электроэнергии, ее транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом для потребителей количестве и требуемого качества, а именно: разработанные автором с использованием современных средств моделирования модели электроэнергетических систем для исследования работы алгоритмов функционирования дифференциально-фазной высокочастотной защиты в установившихся и переходных аварийных режимахматематическая модель для исследования функции АПВ с улавливанием синхронизма, а также результаты исследований, выполненных с применением разработанных моделей соответствуют п. 6. «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 —"Электростанции и электроэнергетические системы" (технические науки) — разработанные автором алгоритм функционирования органа манипуляции, способ отстройки органа сравнения фаз от помех в высокочастотном канале связи, метод коррекции фазной характеристики дифференциально-фазной защиты, дополнительный блок общей1, функционально-логической схемы, обеспечивающий селективность защиты при внутренних однофазных КЗ с обрывом поврежденной фазы на защищаемой к линии, усовершенствованный алгоритм АПВ с улавливанием синхронизма соответствуют п. 9. «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».

Практическую ценность представляют следующие основные результаты работы:

1. Результаты опытно-конструкторской работы и сертификации в ОАО «ФСК ЕЭС» терминала дифференциально-фазной защиты Сириус-З-ДФЗ-01, переданного для промышленного внедрения.

2. Результаты опытно-конструкторской работы и сертификации в ОАО «ФСК ЕЭС» терминала резервных защит и автоматики управления выключателем линий 110−220 кВ Сириус-3-ЛВ-03, переданного для промышленного внедрения.

3. Результаты исследования на математической модели электрической сети 110−220 кВ, выполненной в системе МАТЪАВ, статических и динамических режимов функционирования ДФЗ и АПВУС.

4. Обоснование состава пусковых органов различных типов и схемы их логического взаимодействия в дифференциально-фазных защитах, обеспечивающих наибольшую чувствительность при внутреннем КЗ на линиях 110−220 кВ различной конфигурации.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований и разработок использованы автором при создании устройств микропроцессорных защит Сириус-З-ДФЗ-01 и Сириус-3-ЛВ-03. Данные терминалы выпускаются серийно на предприятии ЗАО «РАДИУС Автоматика» с 2008 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип действия и функционально-логическая структура блока, обеспечивающего селективность и устойчивость функционирования ДФЗ при однофазном КЗ с обрывом фазы.

2. Способ компенсации частотной зависимости фазы тока посредством изменения числа выборок при цифровой фильтрации мгновенных значений первой гармоники косинусным фильтром.

3. Алгоритм коррекции фазы тока, основанный на способе «зеркального» отображения сигнала.

4. Способ отстройки ДФЗ от влияния высокочастотных помех в канале связи, основанный на выделении базовых периодов во входном сигнале органа сравнения фаз.

5. Метод коррекции фазной характеристики ДФЗ, исключающий угловую погрешность, обусловленную влиянием элементов высокочастотного тракта.

6. Алгоритм АПВУС для линий с двусторонним питанием, учитывающий' угловую погрешность, вносимую периодом измерения угла между синхронизируемыми напряжениями.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и конкретных задач исследования, разработке алгоритма обработки мгновенных значений тока манипуляции, с использованием косинусного фильтра, способа коррекции фазы тока, алгоритма отстройки ДФЗ от высокочастотных помех в канале связи, алгоритма коррекции фазной характеристики ДФЗ, функционально-логического блока, обеспечивающего селективную работу защиты при внутреннем однофазном КЗ с обрывом фазы, исследовании работы ДФЗ при сочетании неполнофазного режима и внутреннего КЗ на землю, разработке усовершенствованного алгоритма АПВУС.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на XVIII научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2008». Москва: ВВЦ, 2008; на XIX научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2009». Москва: ВВЦ, 2009;

— на научно-технической конференции в рамках выставки «Электрические сети России — 2009»;

— на XVI научно-технической конференции «Обмен опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств РЗА и ПА в энергосистемах Урала». Екатеринбург, 2010 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 41 наименования и 4-х приложений. Основной текст включает 160 страниц.

12. Результаты исследования и разработки реализованы в микропроцессорном терминале ДФЗ типа Сириус-З-ДФЗ-01 и терминале резервных защит и автоматики управления выключателем Сириус-З-ЛВ-ОЗ.

13. Разработанные микропроцессорные терминалы прошли сертификацию в ОАО «ФСК ЕЭС».

Заключение

.

В работе поставлены и решены вопросы совершенствования алгоритмов функционирования и разработки дифференциально-фазной защиты, автоматического повторного включения линий 110−220 кВ с двусторонним питанием. Основные теоретические и практические результаты работы могут быть сведены к следующему:

1. На основе анализа известных исполнений разработана общая функционально-логическая схема ДФЗ. Выполнен анализ известных способов реализации алгоритмов функционирования основных функциональных узлов ДФЗ: органа манипуляции и органа сравнения фаз.

2. Предложена логическая схема взаимодействия дополнительных пусковых органов для линии с ответвлениями, обеспечивающая повышение устойчивости и надежности функционирования ДФЗ при внутренних КЗ.

3. Разработан принцип действия и функционально-логическая структура блока, обеспечивающего селективность и устойчивость функционирования ДФЗ при обрыве фазы с однофазным КЗ на землю.

4. Разработан алгоритм функционирования органа манипуляции ДФЗ, обеспечивающий повышение динамической устойчивости функционирования защиты.

5. Предложен способ компенсации частотной зависимости фазы тока посредством изменения числа выборок при цифровой фильтрации мгновенных значений первой гармоники косинусным фильтром.

6. Разработан алгоритм коррекции фазы тока манипуляции, необходимый при применении на концах защищаемой линии разных исполнений ДФЗ, основанный на способе «зеркального» отображения сигнала.

7. Для повышения надежности функционирования ДФЗ при нарушениях в цепях напряжения предложено внести в структурную схему ДФЗ блок измерения частоты сигнала по току.

8. Разработан способ отстройки ДФЗ от влияния высокочастотных помех в канале связи, основанный на выделении базовых периодов во входном сигнале ОСФ.

9. Предложен метод коррекции фазной характеристики ДФЗ, исключающий угловую погрешность, обусловленную влиянием элементов высокочастотного тракта.

10. Проведены исследования работы ДФЗ в различных режимах функционирования на комплексной математической модели «ЭЭС-ДФЗ», разработанной в системе МАТЪАВ. Результаты моделирования подтвердили эффективность функционирования различных функционально-логических схем и алгоритмов основных узлов.

11. Разработан новый алгоритм АПВ УС для линий с двусторонним питанием, учитывающий угловую погрешность, вносимую периодом измерения угла между синхронизируемыми напряжениями.