Разработка и исследование алгоритмов адаптивного функционирования защиты от всех видов коротких замыканий на основе дистанционного принципа

Несмотря на непрерывное улучшение качества строительства и технического обслуживания сетей, происходят и неизбежно будут происходить повреждения линий электропередачи (ЛЭП), причем особенно часто повреждаются воздушные линии электропередачи (ВЛ). Удары молнии или индуктированные перенапряжения при грозовых разрядах, ураганы, гололед, лесные пожары, оползни и многие другие причины приводят к повреждению ВЛ.

Поврежденная ЛЭП должна быть быстро и селективно отключена от остальной части сети, что позволит избежать развития аварии, сберечь электроэнергетическое оборудование и сохранить электроснабжение максимально возможной части потребителей. Выполнение этой задачи на многих ЛЭП возложено на устройства дистанционной защиты (ДЗ). Эксплуатируемые в настоящее время в электроэнергетике устройства ДЗ, используют в качестве реагирующего органа реле сопротивления с независимой от режима электропередачи характеристикой. В то же время замер реле сопротивления существенно зависит от режима работы электропередачи и переходного сопротивления в месте КЗ, что в ряде случаев приводит к отказу срабатывания или излишнему срабатыванию дистанционной защиты. Так как задача определения места повреждения (ОМП) является более общей задачей по отношению к задаче определения зоны повреждения устройствами ДЗ, то целесообразно использовать принципы определения места повреждения для разработки новых алгоритмов ДЗ. Решение вопроса построения алгоритма ДЗ на базе алгоритма ОМП позволит повысить точность определения зоны повреждения и как следствие увеличить эффективность ДЗ.

От быстроты ремонта ЛЭП во многом зависят технико-экономические показатели электроснабжения потребителей. Значительную часть этого времени занимает определение места повреждения. Существуют односторонние и двусторонние способы ОМП. Двусторонние способы ОМП более точные, но требуют наличия каналов связи, поэтому их применение ограничено. Односторонние способы ОМП имеют ряд недостатков приводящих к погрешностям в определении места повреждения.

Теория дистанционной защиты и определения места повреждения в основном была создана к началу восьмидесятых годов A.M. Федосеевым, В. Л. Фабрикнтом, Г. И. Атабековым, С. Б. Лосевым и другими учеными. В дальнейшем она получила развитие в трудах Е. А. Аржанникова, A.C. Саухатаса, Ю. Я. Лямеца, И. В. Якимца, В. Н. Новеллы и других ученых. Большой толчок в развитии теории дистанционной защиты и определения I места повреждения произошел благодаря переходу релейной защиты и автоматики энергосистем на микропроцессорную элементную базу, распространением цифровых регистраторов и программных комплексов для анализа аварийных процессов. Цифровая техника позволила алгоритмам использовать для анализа повреждений всю имеющуюся информационную базу, что привело к созданию новых способов дистанционной защиты и определения места повреждения линии электропередачи.

Существующие методы ОМП делятся на способы использующие параметры аварийного режима (ПАР) (токи и напряжения в период КЗ), и импульсные методы, основанные на оценке временных интервалов распространения электромагнитных волн по ЛЭП. Применение импульсных методов ОМП в данной работе не рассматриваются.

Современные методы одностороннего ОМП, использующие ПАР, базируются на том, что переходное сопротивление в месте повреждения имеет активный характер и следовательно вектора тока повреждения и напряжения в месте повреждения совпадают по направлению. Определение напряжения вдоль ЛЭП не вызывает трудностей, а вот ток повреждения в наиболее современных способах ОМП определяется исходя из известных коэффициентов токораспределения последовательностей, которые не всегда известны. Определение коэффициентов токораспределения различных последовательностей связано с информацией об эквивалентных сопротивлениях энергосистемы противоположного конца линии, которые изменяются в зависимости от режима работы энергосистемы, и как правило заранее не известны. Существующие методы определения места повреждения используют для определения коэффициентов токораспределения либо усредненное значение сопротивления различных последовательности противоположного конца линии, либо статистические способы, определяющие диапазон длины линии внутри которого находится повреждение с определенной вероятностью (доверительный интервал). В результате в первом случае возникают существенные ошибки в определении места повреждения, во втором случае это приводит к большому доверительному интервалу. Особенно остро эти недостатки проявляются, если повреждение находится вблизи дальнего (от места измерения) конца линии электропередачи, а фактическое эквивалентное сопротивление отличается от заданного по углу. Ошибка в задании модуля эквивалентного сопротивления приводит к меньшим погрешностям.

Работа выполнена на инициативной основе и в соответствии с грантом министерства образования РФ на 2003;2004гг. Т02−1.1−2444 «Теоретические и экспериментальные исследования возможностей повышения показателей технического совершенства микропроцессорной автоматики противоаварийного управления Единой электроэнергетической системы России».

Цель работы заключается в разработке и исследовании алгоритмов определения зоны и места повреждения линии электропередачи, адаптивных к возможным изменениям эквивалентных параметров энергосистемы в предаварийном режиме, и повышении методической точности определения места и зоны повреждения устройствами ДЗ и ОМП.

Работа выполнена на кафедре РЗиАЭС МЭИ при содействии научно-исследовательской лаборатории технических средств управления и отдела релейной защиты автоматики и управления ОАО «Институт Энергосетьпроект».

Автор выражает благодарность за консультации по второй главе д.т.н. проф. Овчаренко Н.И.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ причин погрешностей известных методов ДЗ и одностороннего ОМП, и постановка на основе проведенного анализа конкретных задач исследования.

2. Исследование и разработка способов предварительной обработки информации для формирования из входных информационных процессов векторов тока и напряжения, используемых в технологических алгоритмах устройства.

3. Совершенствование методов и алгоритмов определения вида и особой фазы повреждения.

4. Разработка и исследование методов определения места и зоны повреждения ЛЭП, базирующихся на представлении узла несимметрии в виде генератора мощностей обратной и нулевой последовательностей,.

5. Разработка и исследование алгоритма определения эквивалентного сопротивления прямой последовательности энергосистем на основе анализа динамических процессов электропередачи.

6. Разработка и исследование алгоритмов функционирования устройств ОМП и ДЗ, реализующих предложенные в диссертации методы.

7. Разработка блок-схемы, реализующей работу устройства ДЗ и ОМП, и анализ их функционирования на примерах реальных энергосистем.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались: современные методы математического и физического моделирования, теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория электромеханических переходных процессов в ЭЭС. Экспериментальные исследования на цифровых моделях и осциллограммах реальных повреждений.

Теоретические результаты и научная новизна.

1. Предложен, разработан и исследован с помощью программ на ЭВМ новый способ адаптивного анализа входного информационного процесса для определения векторов тока и напряжения, необходимых для формирования технологических алгоритмов ДЗ и омп.

2. Разработан, исследован и реализован в виде программы на ЭВМ метод определения вида и особой фазы повреждений связанных с замыканием на землю,.

3. Предложены, теоретически обоснованы и реализованы в виде программ на ЭВМ алгоритмы ОМП и ДЗ использующие для определения места и зоны повреждения информацию о коэффициенте токораспределения только прямой последовательности.

4. Предложены, теоретически обоснованы и реализованы в виде программ на ЭВМ алгоритмы определения эквивалентного сопротивления прямой последовательности энергосистемы на основе контроля изменения режимных параметров в узле энергосистемы.

5. Предложены, разработаны и реализованы в виде программ на ЭВМ алгоритмы функционирования устройств ДЗ и ОМП, использующие информацию только о коэффициенте токораспределения прямой последовательности и адаптивные к изменению структуры ЭС в предаварийном режиме.

Достоверность результатов диссертационной работы проверена численными экспериментами в математических пакетах Маткад, Матлаб, програмно-вычислительном комплексе «СПРУТ», а также с использованием осциллограмм аварий ОЭС Северного Кавказа и Мосэнерго.

Практическая ценность работы.

Разработанные алгоритмы ДЗ и ОМП могут быть использованы целиком или отдельными частями при проектировании микропроцессорной релейной защиты, устройств и программных комплексов ОМП.

Результаты работы использованы отделом релейной защиты и автоматики института Энергосетьпроект при проектировании энергетических объектов МЭС Центра и МЭС Северо-Запада единой энергосистемы РФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод определения векторов тока и напряжения по характеру входного информационного процесса. Метод основан на способе спектрального анализа и обладает повышенным быстродействием и точностью.

2. Метод определения вида и особой фазы повреждения при однофазных и двухфазных замыканиях высоковольтных ЛЭП на землю, использующий угловые соотношения между аварийным током прямой последовательности и током обратной последовательности.

3. Алгоритм определения эквивалентного сопротивления прямой последовательности энергосистемы на основе анализа динамического перехода энергосистемы из одного состояния в другое.

4. Метод и алгоритм одностороннего определения места повреждения в линии электропередачи с двухсторонним питанием, адаптивный к возможным изменениям структуры энергосистемы в предаварийном режиме. Метод базируется на «представлении узла несимметрии в виде генератора мощностей обратной и нулевой последовательностей и использует информацию только о коэффициенте токораспределения прямой последовательности.

5. Метод и алгоритм функционирования ДЗ адаптивный к возможным изменениям структуры энергосистемы в предаварийном режиме использующий целевую функцию реактивного параметра.

6. Структура реализации адаптивных устройств ОМП и ДЗ на основе использования микропроцессорной техники и результаты численных исследований с использованием осциллограммам аварийных режимов ЭС.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях «Конференция посвященная 70-летию отдела РЗАУ ЭСП» Москва 2001, «XV Научно-техническоя конференция релейная защита и автоматика энергосистем», Москва 2002 г., «VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов» Москва, МЭИ, 2002 г., «VII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов», Москва, МЭИ, 2001 г., «IX международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов», Москва, МЭИ, 2003 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано и подготовлено к печати 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка из 77 наименований и приложения. Диссертация содержит 134 стр., 48 иллюстрации.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в разработке комплекса методов функционирования микропроцессорных устройств одностороннего определения места повреждения и дистанционной защиты высоковольтных линий электропередачи, адаптивных к изменению структуры и режима работы энергосистемы.

1. Разработан метод адаптивного оценивания входных сигналов измеряемых токов и напряжения аварийного процесса на основе цифрового спектрального анализа. Разработанный метод обладает адаптивностью к характеру входного информационного процесса и позволяет повысить быстродействие и точность оценивания составляющих токов и напряжения. Метод реализован в виде программного комплекса.

2. Усовершенствован метод определения поврежденных фаз и вида повреждения линии электропередачи на основе использования аварийных составляющих прямой и обратной последовательностей. Метод эффективен при анализе повреждений ЛЭП, связанных с замыканием на землю.

3. Разработан и исследован адаптивный метод дистанционной защиты и определения места повреждения на основе формирования целевых функций потокораспределения мощностей различных последовательностей в аварийных режимах электропередачи, В разработанном методе понятие адаптивности расширено до уровня адаптации к изменению структуры энергосистемы в предаварийных режимах.

4. Разработаны и исследованы целевые функции для формирования действия дистанционной защиты и одностороннего определения места повреждения, использующие только коэффициент токораспределения прямой последовательности. Полученные целевые функции позволяют формировать действия ДЗ и ОМП на основе эквивалентных параметров энергосистемы, определенных в симметричном режиме ее работы.

5. Разработаны, исследованы и программно реализованы методы формирования эквивалентных параметров энергосистемы по результатам измерения токов и напряжений в узле электропередачи. Методы позволяют определять эквивалентные сопротивления прямой последовательности электропередачи при представлении ее двухмашинной схемой замещения. Это позволяет снизить уровень неизвестной информации при формировании действий защиты и определителя места повреждения использующего дистанционный принцип.

7. Разработаны и программно реализованы алгоритмы и блок-схемы функционирования адаптивных устройств ДЗ и ОМП. Работоспособность и эффективность разработанных алгоритмов подтверждена вычислительными экспериментами на основе использования осциллограмм аварийных режимов реальных энергосистем. Разработанные алгоритмы реализованые в виде единого программного комплекса являются основой для формирования технологических устройств на базе микропроцессоров.

8. Работоспособность и эффективность разработанных алгоритмов и программных комплексов подтверждается вычислительными экспериментами с использованием осциллограмм аварийных режимов реальных энергосистем.