Исследование и разработка методов повышения точности определения места короткого замыкания на линиях электропередачи 110-220 кВ

Актуальность темы

диссертационного исследования определяется тем, что повышение точности и эффективности методов и средств определения места короткого замыкания (КЗ) на линиях электропередачи (ЛЭП) напряжением 110 кВ и выше, является важным способом повышения надежности функционирования электроэнергетических систем, обеспечивая уменьшение затрат времени на выявление и ликвидацию повреждений.

В настоящее время для определения расстояния до места КЗ широко используются микропроцессорные фиксирующие приборы (МФП) одностороннего замера, преимуществом которых перед другими устройствами определения места КЗ (ОМКЗ) является высокая скорость получения результата и его представление в наиболее удобной для эксплуатационного персонала форме. Однако с развитием микропроцессорной техники и совершенствованием аппаратной базы устройств ОМКЗ математическое и алгоритмическое обеспечение МФП осталось практически неизменным. Существующие микропроцессорные фиксирующие приборы не могут учесть сложную конфигурацию большинства линий электропередач в реальных энергосистемах, что приводит к методическим погрешностям при определении места замыкания. На точность определения места КЗ существующими исполнениями МФП значительное влияние оказывают также погрешности трансформаторов тока, переходное сопротивление в месте повреждения, подпитка места КЗ от нескольких источников, отсутствие точных данных по параметрам примыкающих к ЛЭП питающих систем и другие факторы. Устранение указанных недостатков и повышение точности определения места КЗ на ЛЭП возможно за счет совершенствования математического и алгоритмического обеспечения устройств ОМКЗ. Использование все более мощных процессоров позволяет перейти от расчета расстояния до места КЗ по набору формул, построенных на основе упрощенных математических моделей ЛЭП, к методам, анализирующим конфигурацию линии и способным рассчи6 тывать более сложные модели ЛЭП и учитывать большее число возможных вариантов первичных схем, а также влияние различных искажающих замер факторов.

Дополнительные возможности повышения точности определения места повреждения в сетях сложной конфигурации возникают при совместном применении для решения данной задачи аналоговой и дискретной информации от различных источников (например, цифровых осциллографов) и использовании ресурсов персональной ЭВМ.

С учетом изложенного задачи, связанные с совершенствованием математического, алгоритмического и программного обеспечения устройств и систем ОМКЗ с целью повышения точности определения расстояния до места повреждения, а также совершенствованием способа представления результатов расчета эксплуатационному персоналу, являются актуальными.

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете (ИГЭУ). Ее отдельные разделы выполнялись в рамках госбюджетной научно-технической программы «Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы России», а также по договорам с предприятиями ряда энергосистем России.

Цель работы.

Цель работы заключается в исследовании возможности повышения точности и достоверности результатов одностороннего определения расстояния до места короткого замыкания.

Основные задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ причин методической погрешности существующих методов одностороннего определения места короткого замыкания на предмет возможности их устранения с помощью существующей элементной базы.

2. Разработка рекомендаций по выбору способа одностороннего опреде7 ления расстояния до места КЗ при различных соотношениях параметров линии и прилегающих энергосистем.

3. Совершенствование метода одностороннего ОМКЗ в направлении уменьшения влияния переходного сопротивления в месте повреждения.

4. Оценка влияния погрешности трансформатора тока на решение задачи ОМКЗ и исследование возможностей ее уменьшения.

5. Разработка способа трактовки результатов расчета различными методами ОМКЗ на базе статистической модели линии.

6. Анализ возможности автоматического решения задачи ОМКЗ с использованием дополнительной аналоговой и дискретной информации.

Основные методы научных исследований.

При решении поставленных задач использованы современные методы математического и физического моделирования, теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория вероятностей.

Научная новизна.

1. Усовершенствованы аналитический и итерационный методы одностороннего ОМКЗ, которые повышают точность определения расстояния за счет уменьшения влияния переходного сопротивления в месте повреждения.

2. Разработан метод компенсации погрешности, обусловленной насыщением трансформатора тока, применение которого не требует использования характеристики намагничивания.

3. Разработан метод статистической оценки погрешности для различных методов ОМКЗ, обеспечивающий повышение точности определения расстояния до места повреждения в условиях неполноты информации о параметрах, примыкающих к ЛЭП энергосистем.

4. Разработан алгоритм уточнения решения задачи ОМКЗ с использованием дополнительной дискретной и аналоговой информации от системы АСУ ТП электроэнергетического объекта.

Достоверность результатов, получаемых при использовании разрабо8 тайных алгоритмов и программных модулей, подтверждена проверкой по данным зарегистрированным при коротких замыканиях на реальных линиях электропередачи и результатами физического моделирования трансформатора тока.

Практическая ценность.

1. Для персонала служб релейной защиты и автоматики энергосистем, электростанций и электрических сетей разработаны рекомендации по выбору метода одностороннего определения места короткого замыкания при замыканиях на землю в зависимости от соотношения параметров линии и прилегающих систем.

2. Для микропроцессорных фиксирующих приборов предложен алгоритм итерационного метода одностороннего ОМКЗ, основанный на более точном и универсальном представлении математической модели линии и позволяющий уменьшить влияние переходного сопротивления в месте поврежденияразработанный алгоритм внедрен в серийно выпускаемое устройство типа ИМФ-ЗР (ЗАО «Радиус-Автоматика», г. Зеленоград).

3. Для микропроцессорных устройств определения места короткого замыкания предложен метод компенсации погрешности, обусловленной насыщением трансформатора тока, без использования его характеристики намагничиванияразработанный метод может быть использован также в микропроцессорных устройствах релейной защиты.

4. Для персонала служб релейной защиты и автоматики энергосистем, электростанций и предприятий электрических сетей разработан комплекс программных средств, позволяющий при эксплуатации проводить анализ работы и оценку погрешности различных методов определения места КЗ на ЛЭП 110 кВ и выше.

Реализация результатов работы.

Научные и практические результаты работы внедрены в АО «Ивэнерго», «Ярэнерго», «Владимирэнерго», в ЗАО «Радиус-Автоматика» в виде программных средств, позволяющих повысить точность определения места КЗ на ЛЭП 9.

110 кВ и выше, и в учебном процессе в ИГЭУ при изучении дисциплины «Автоматизация электроэнергетических систем» для подготовки и переподготовки инженеров по специальности 210 400 «Автоматическое управление электроэнергетическими системами».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рекомендации по выбору метода расчета одностороннего ОМКЗ в зависимости от соотношения параметров линии и прилегающих энергосистем.

2. Итерационный и аналитический методы одностороннего ОМКЗ, позволяющие уменьшить влияние переходного сопротивления в месте повреждения.

3. Метод компенсации погрешности, обусловленной насыщением трансформатора тока, без использования его характеристики намагничивания.

4. Метод статистической оценки погрешности для различных методов ОМКЗ, обеспечивающий повышение точности определения расстояния в условиях неполноты информации о параметрах, примыкающих к ЛЭП энергосистем.

5. Алгоритм уточнения решения задачи ОМКЗ с привлечением дополнительной дискретной и аналоговой информации из системы АСУ ТП энергетического объекта.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях «IX и X Бенардосовские чтения» (Иваново, 1999, 2001 г. г.), VI международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МГУ, 2000 г.), научном семинаре по электротехнике (Иваново, 2001 г.) и VIII Международной конференции «Информационная среда вуза» (Иваново, ИГАСА, 2001 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано и подготовлено к печати 16 печатных работ.

В первой главе проведен обзор существующих технических средств и методов одностороннего определения расстояния до места короткого замыкания в сетях с заземленной нейтралью. Сформулированы цели и задачи исследования.

10 вания.

Во второй главе разработаны итерационный и аналитический методы одностороннего ОМКЗ, позволяющие уменьшить влияние переходного сопротивления в месте повреждения. Предложены рекомендации по выбору метода расчета одностороннего ОМКЗ в зависимости от соотношения параметров линии и прилегающих систем.

В третьей главе разработан метод компенсации погрешности, обусловленной насыщением трансформатора тока, без использования его характеристики намагничивания.

В четвертой главе выполнен статистический анализ результатов решения задачи ОМКЗ. Разработана математическая модель линии для статистического анализа влияния существенных факторов на точность решения ОМКЗ.

В пятой главе разработан алгоритм уточнения решения задачи ОМКЗ с привлечением дополнительной дискретной и аналоговой информации из системы АСУ ТП энергообъекта.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОДНОСТОРОННЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.

Выводы по главе 5:

1. Наиболее полная система может быть получена на базе ЦО при условии включения всех необходимых аналоговых и дискретных сигналов, определяемыми используемыми алгоритмами — фазные токи и напряжения нормального и аварийного режимов для всех ЛЭП, затрагиваемых алгоритмами задачи ОМКЗконтроль положений и причин коммутаций всех необходимых выключателей. Существенным недостатком систем на базе ЦО является возможность полного отказа, например, при выходе из строя сервера (контроллера) осциллографа.

2. Весьма желательно иметь приборы ОМКЗ для каждой линии с максимально совершенным алгоритмом для данного типа линии. Для МФП целесообразно использовать систему сбора информации и неселективный пуск. Система должна входить в обобщенную систему сбора’информации.

3. Любой регистратор дискретных событий должен обеспечивать определение положения выключателей и причину их коммутаций в рамках задачи ОМКЗ и должен быть включен в общую систему сбора информации. Весьма важно включить контактные датчики МФП, а при возможности, обобщенный контакт устройств РЗ включить в МФП, имеющий функцию регистрации (ИМФ-ЗР).

4. При использовании устройств и систем, имеющих свои шкалы времени, желательна точная синхронизация или, хотя бы синхронизация «по событиям».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Линии электропередачи в реальных энергосистемах часто имеют довольно сложную конфигурацию, которую не могут учесть выпускаемые в настоящее время приборы ОМКЗ. Это приводит к методическим погрешностям при определении места замыкания.

2. Совершенствование аппаратной базы МФП (в частности, использование более мощных процессоров) позволяет перейти к разработке универсальных расчетных программ, позволяющих обеспечить отсутствие погрешностей на линиях со все более сложной конфигурацией.

3.

Введение

в МФП функции осциллографирования позволяет производить оценку формы сигнала, выполнять определение стационарного участка для расчета места КЗ и вводить компенсацию погрешности, вызванную насыщением измерительного трансформатора тока. Это возможно после совершенствования алгоритмического и программного обеспечения задачи ОМКЗ.

4. В качестве поляризующей величины целесообразно использовать ток обратной последовательности (для линии с одиночным питанием) или нулевой последовательности (для линии с двусторонним питанием) для определения места повреждения при несимметричном коротком замыкании. Использование, в качестве опорной, аварийной составляющей тока целесообразно при трехфазном КЗ, но затруднительно из-за сложности определения.

5. Для уменьшения влияния переходного сопротивления при одностороннем определении места короткого замыкания целесообразно использование итерационного расчета с учетом знания токораспрёделения (зависимости угла р) по обратной или нулевой последовательности. В настоящий момент существуют микропроцессорные приборы (ИМФ-ЗР), которые позволяют использовать данный алгоритм.

6. Выбор опорного тока в алгоритмах микропроцессорных приборов.

132 определения места короткого замыкания необходимо задать в виде настраиваемой уставки, таким образом прибор может адаптироваться к различным по характеристикам ЛЭП.

7. Использование аналитического метода решения квадратного уравнений по обратной и нулевой последовательностям целесообразно при заведомо известных режимах сети. Применение данного метода возможно на уровне системного (диспетчерского) анализа аварийной ситуации.

8. Применение существующих методов компенсации погрешности измерительного ТТ затруднительно в виду сложности получения информации о характеристике намагничивания преобразователя.

9. Показана принципиальная возможность компенсации погрешности ТТ до 40% по амплитуде и фазе без использования характеристик намагничивания.

10. При моделировании погрешностей (цифровых осциллограмм вторичного тока) использовались характеристики намагничивания различных электротехнических сталей и типов сердечников с целью выбора «наихудших» и «наилучших». Восстановление возможно для всех типов однокаскад-ных ТТ б-т-220 кВ, но при различных требованиях к разрядности и числу отсчетов на период АЦП.

11. Сформулированы требования к устройствам регистрации аналоговых сигналов (цифровым осциллографам) для успешной компенсации погрешности ТТ в диапазоне 5⁴⁰ %. Для функционирования метода необходимо наличие четырнадцатиразрядного АЦП с частотой дискретизации не менее 64 отсчетов на период.

12. Все алгоритмы могут быть реализованы на микропроцессорных устройствах современного уровня. При использовании систем сбора информации (цифровых осциллограмм) на уровне ЭВМ возможно применение более точных, следовательно и более сложных алгоритмов.

13. Диапазоны изменения параметров систем могут быть определены.

133 статистическими или точными расчетными методами.

14. При статистическом подходе число учитываемых конфигураций может быть весьма небольшим.

15. Алгоритмы приборов ОМКЗ можно оценивать для конкретных объектов при наличии точной или среднестатистической конфигурации.

16. Оценка для практических целей дана в виде зоны неопределенности с указанием направления обхода.

17. Показана принципиальная возможность использования объектов типа линия 1−1 для получения среднестатистических ЗН без проведения достаточно объемных предварительных расчетов. Расчет необходим только для установлении класса линии.

18. Ширина зоны неопределенности определяется объемом доступной информации.

19. В рамках системы зоны неопределенности могут уменьшатся при использовании нескольких методов ОМКЗ.

20. Наиболее полная система может быть получена на базе ЦО при условии включения всех необходимых аналоговых и дискретных сигналов, определяемыми используемыми алгоритмами — фазные токи и напряжения нормального и аварийного режимов для всех ЛЭП, затрагиваемых алгоритмами задачи ОМКЗконтроль положений и причин коммутаций всех необходимых выключателей. Существенным недостатком систем на базе ЦО является возможность полного отказа, например, при выходе из строя сервера (контроллера) осциллографа.

21. Весьма желательно иметь приборы ОМКЗ для каждой линии с максимально совершенным алгоритмом для данного типа линии. Для МФП целесообразно использовать систему сбора информации и неселективный пуск. Система должна входить в обобщенную систему сбора информации.

22. Любой регистратор дискретных событий должен обеспечивать определение положения выключателей и причину их коммутаций в рамках за.

134 дачи ОМКЗ и должен быть включен в общую систему сбора информации Весьма важно включить контактные датчики МФП, а при возможности, обобщенный контакт устройств РЗ включить в МФП, имеющий функцию регистрации (ИМФ-ЗР).

23. При использовании устройств и систем, имеющих свои шкалы времени, желательна точная синхронизация или, хотя бы синхронизация «по событиям».