Совершенствование микропроцессорной защиты дальнего резервирования и обобщение опыта ее эксплуатации

Защита дальнего резервирования устанавливается на головных концах линий электропередачи 35 — 220 кВ и обеспечивает выявление коротких замыканий в силовых ответвительных трансформаторах и на стороне низшего напряжения. Для обеспечения дальнего резервирования в настоящее время считается обязательной установка на линиях 110 кВ и выше с двухи многосторонним питанием трехступенчатых дистанционных защит от междуфазных замыканий независимо от полноты ближнего резервирования защиты [1]. Осуществить защитами линий дальнее резервирование при замыканиях в ответвительной подстанции (в случае отказа срабатывания ее защит или выключателя со стороны высшего напряжения, а при отсутствии последнегоотказа короткозамыкателя или устройства передачи отключающего сигнала) в общем случае еще более затруднительно, чем при замыканиях на линиях [2−11]. Это связано с ограниченными возможностями достижения необходимой чувствительности защит линий и обусловлено тем, что нагрузка линии, определяющая параметры срабатывания последних ступеней защиты линий, в большинстве случаев значительно превышает номинальную мощность ответвительного трансформатора.

При реализации дальнего резервирования защит трансформаторов ответвительных подстанций возникает ряд проблем:

— отстройка от нагрузочных (транзитных) токов линий;

— выбор характеристик срабатывания реле сопротивления;

— согласование с линейными защитами и с защитами, установленными на отпайках;

— диапазон изменения токов в режиме аварии на линии превышает диапазон изменения токов при замыканиях в трансформаторах ответвительных подстанций;

— необходимость учитывать наличие тяговой нагрузки на некоторых линиях.

В «НПЛ Бреслер» проблема выявления повреждения ответвительного трансформатора решена путем расширения информационной базы. С помощью нового метода, разработанного чебоксарской школой релейщиков и названного информационным анализом [12−17], разработана защита дальнего резервирования, оперирующая всей доступной информацией при наблюдении за линией электропередачи с одного конца: током и напряжением предшествующего и аварийного режимов. Данная защита решает проблему выявления факта повреждения отпаечного трансформатора [18−29].

В основу защиты положен адаптивный дистанционный принцип [30−34], оперирующий с алгоритмической моделью объекта (AMO) [35−38]. Алгоритмическая модель объекта позволяет оценить токи и напряжения в произвольной точке защищаемой схемы. Зная значения аварийных и предшествующих токов и напряжений в месте установки защиты, она по определенным законам оценивает токи и напряжения в месте установки виртуального реле сопротивления (ВРС) [39−41]. С помощью алгоритмических моделей удается настроить виртуальные реле на каждую защищаемую ответвительную подстанцию, если их несколько. Это позволяет упростить расчет уставочных характеристик и добавляет возможность идентифицировать поврежденную отпайку [42−44]. Данный способ эффективен тем, что решает проблему объединения информации о защищаемом объекте.

Целью диссертации является совершенствование алгоритмов защиты дальнего резервирования и обобщение опыта ее эксплуатации.

Осуществление разработки защиты «Бреслер-0107.030» потребовало решения ряда задач научно-технического характера:

1. Развитие метода каскадного эквивалентирования при наличии произвольных ограничений на выходе и (или входе) многопроводной системы и подключении к ее входу (выходу) источников электрической энергии. Метод включения ответвления с ограничениями в каскадное соединение без нарушения условий каскадного соединения.

2. Способ моделирования внутренних замыканий в линейном ответвительном трансформаторе по методу каскадного эквивалентирования.

3. Развитие дистанционного принципа для реализации дальнего резервирования ответвительных трансформаторов.

4. Развитие методов алгоритмического моделирования для задач дальнего резервирования.

Для решения поставленных задач привлекались методы теоретических основ релейной защиты, теории цепей, математического моделирования, а также вычислительные имитационные пакеты.

В первой главе рассматриваются основные задачи имитационного и алгоритмического моделирования электроэнергетических систем в базисе фазных координат. Описаны принципы каскадного эквивалентирования, приведен общий метод восстановления каскадного соединения. Приведены примеры эквивалентирования элементов электроэнергетической сети.

Автором рассмотрена методика нормализации начального участка имитационной модели при отсутствии избыточных и нулевых величин во входном или выходном векторе электрических величин. Автором разработана методика включения ответвления, имеющего ограничение по выходу, в общее каскадное соединение.

Имитационной моделью защищаемого объекта называется физическая или математическая структура, воспроизводящая электрические величины, наблюдаемые на реальном объектеалгоритмическая модель защищаемого объекта — математическая структура, преобразующая информацию из мест наблюдения в места предполагаемых повреждений.

Во второй главе представлена разработанная автором методика построения моделей однофазного и трехфазного трансформатора методом каскадного эквивалентирования с возможностью моделирования внутренних повреждений с учетом группы соединения обмоток и режима работы нейтрали. Рассмотрены трехфазные двухобмоточные трансформаторы с трехи четырехстержневой магнитной системой. Предлагаемые модели включаются в каскад электропередачи без нарушения условия каскадного соединения элементов энергосистемы.

Рассматриваются линейные модели трансформатора без учета потерь в магнитопроводе. Такое предположение оправдано при моделировании внутренних замыканий в трансформаторах для проверки алгоритмов защиты дальнего резервирования.

Трансформаторы содержат элементы, нарушающие каскадное соединение. В трехфазном трансформаторе это магнитопровод, наличие на стороне низшего напряжения изолированной нейтрали. Учет группы соединения обмоток трансформатора также сопровождается нарушением каскадного соединения.

В третьей главе рассматриваются алгоритмические модели защищаемого объекта (AMO), применяемые в алгоритме защиты дальнего резервирования «Бреслер-0107.030», исследуются их свойства. Приведены методики получения алгоритмических моделей методом каскадного эквивалентирования.

Автором предложены усовершенствованные модификации алгоритмических моделей объекта без усиления погрешности вычисления напряжения чисто аварийного режима.

Предложен алгоритм, позволяющий реализовать дальнее резервирование защит трансформатора в условиях неполнофазного режима, сопровождающегося замыканием на землю. В основе алгоритма лежит виртуальное реле сопротивления, установленное на стороне высшего напряжения ответвления. Запуск алгоритма осуществляет измерительный орган, контролирующий модуль отношения тока обратной последовательности к току нулевой последовательности у:/7°.

При неполнофазных режимах в ответвлении этот модуль меньше 1, а для линии наоборот больше 1.

В четвертой главе рассматривается поведение классических междуфазных и фазных замеров сопротивления при замыканиях за трансформаторами различных групп соединения.

Показано, что при междуфазных замыканиях за трансформаторами с четной группой соединения целесообразней использование дистанционных органов междуфазного типа, а при замыканиях за трансформаторами с нечетной группой соединения — фазного типа.

Автором рассмотрено поведение замеров сопротивления, отстроенных от тока предшествующего режима. Предложен алгоритм выявления места междуфазного замыкания, а именно за трансформатором какой группы соединения оно произошло: У0/А-11 или У0/У -12. В зависимости от этого используются фазные или линейные координаты замеров сопротивления.

В пятой главе рассматривается разработанная и внедренная в серийное производство при непосредственном участии автора структура микропроцессорного терминала защиты дальнего резервирования Бреслер-0107.030. Разработанная защита является кардинальным развитием версии, выпускавшейся ООО «НПП Бреслер» с 1998 г. в виде опытных образцов. Защита подверглась изменениям как в аппаратной, так и в алгоритмической части. Непосредственно автором реализована новая резидентная программа защиты в терминале серии Бреслер-0107. Разработана конструкторская документация на шкафы защиты с возможностью установки от одного до четырех терминалов. Значительным изменениям подверглась логика работы защиты.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Развитие метода каскадного эквивалентирования многопроводных систем.

2. Развитие методов алгоритмического моделирования для задач дальнего резервирования.

3. Развитие дистанционного принципа для реализации дальнего резервирования ответвительных трансформаторов.

4. Алгоритмы и структура микропроцессорной защиты дальнего резервирования с повышенной чувствительностью к повреждениям в ответвительной подстанции.

Научная новизна работы.

1. Развитый в работе метод каскадного эквивалентирования многопроводных систем отличается от известных из литературы разработанным способом включения ответвления, имеющего ограничения, в общий каскад многопроводной системы без нарушения условий каскадного соединения и применением моделей линейных трансформаторов с возможностью учета внутренних повреждений, группы соединения обмоток и режима работы нейтрали.

2. Развитый в работе метод алгоритмического моделирования отличается от известных из литературы использованием алгоритмических моделей с улучшенными точностными характеристиками и применением алгоритмических моделей для реализации дальнего резервирования защит ответвительных трансформаторов с заземленной нейтралью в неполнофазном режиме.

3. Развитый в работе дистанционный принцип релейной защиты при замыканиях за ответвительными трансформаторами отличается от известных из литературы тем, что в нем предложено при междуфазном замыкании за трансформатором У0/Д-11 группы соединения обмоток использовать фазные координаты замеров сопротивления, отстроенных от тока предшествующего режима, а при между фазном замыкании за трансформатором У0/У -12 группы соединения обмоток — линейные координаты.

Практическая ценность.

1. Развитый в работе метод каскадного эквивалентирования позволил разработать программные модули, моделирующие внутренние повреждения в ответвительной подстанции, результаты расчета которых используются для тестирования и выбора параметров срабатывания защиты Бреслер-0107.030.

2. Предложенные алгоритмические модели с улучшенными точностными характеристиками позволили повысить степень чувствительности и селективности защиты дальнего резервирования Бреслер-0107.030 при замыканиях за трансформаторами малой мощности.

3. Применение алгоритмических моделей позволило реализовать дальнее резервирование трансформаторов с заземленной нейтралью в условиях неполнофазного режима.

4. Развитый в работе дистанционный принцип позволил реализовать дальнее резервирование защит ответвительных трансформаторов при сложных дуговых замыканиях и при отсутствии информации о предшествующем режиме.

5. Рассмотренная в работе защита «Бреслер-0107.030» запущена в серийное производство, эксплуатируется в энергосистемах Тулаэнерго, Тамбовэнерго, Ярэнерго, Тюменьэнерго, Камчатскэнерго и в Белоруссии. Получен положительный опыт эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и, обсуждались на международных, всероссийских и республиканских научно-технических конференциях: СИГРЭ (Чебоксары 2007 г.), Релейная защита и автоматика энергосистем (Москва, ВВЦ, 2008 г. и 2009 г.), Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС, Чебоксары, 2005, 2007 и 2011), Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ, Чебоксары, 2006), Республиканская научно-техническая конференция молодых специалистов «Электротехника, электроэнергетика и электромеханика» (Чебоксары, 2005;2008, 2010).

Публикации. Содержание диссертационной работы нашло отражение в 30 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (108 наименований) и трех приложений. Общий объем работы составляет 201 стр., в том числе основного текста 167 стр., 98 рисунков, 23 таблицы.

Вывод:

1. Успешное решение задач, связанных с разработкой микропроцессорной защиты дальнего резервирования «Бреслер-0107.030», стало возможным благодаря коллективу специалистов «НЛП Бреслер». Непосредственно автором создано новое резидентное программное обеспечение и конструкторская документация защиты.

2. Дано развитие алгоритма и структуры микропроцессорной защиты дальнего резервирования ответвительных трансформаторов малой мощности, отличающейся от известных применением алгоритмических моделей.

3. Значительным изменениям подверглась логика пуска и блокирования защиты дальнего резервирования серии «Бреслер-0107.030». Предложен вариант реализации дальнего резервирования на параллельных линиях. В защите реализованы следующие блокировки:

— блокировка при неисправностях в цепях напряжения;

— блокировка при броске тока намагничивания;

— контроль гашения электрической дуги при увеличении сопротивления;

— блокировка при пуске двигателя.

4. Разработано внешнее программное обеспечение для расчета параметров срабатывания защиты.

Заключение

.

В работе дано развитие имитационного и алгоритмического моделирования многопроводных систем, описаны основные приемы эквивалентирования.

Развит метод каскадного эквивалентирования многопроводных систем при наличии произвольных ограничений. Разработан способ включения ответвления, имеющего ограничения, в общий каскад многопроводной системы без нарушения условий каскадного соединения.

Созданы линейные модели однофазного и трехфазного трансформаторов, реализованные в базисе фазных координат. Модели позволяют рассчитывать широкий спектр внутренних замыканий в трансформаторе. Построена каскадная модель линейной ответвительной подстанции с возможностью реализации замыканий на стороне высшего напряжения, в отходящих фидерах и в самом ответвительном трансформаторе с учетом группы соединения и режима работы нейтрали.

Выявлен недостаток классической алгоритмической модели объекта. Предложены AMO с улучшенными точностными характеристиками. Рассмотрена методика построения алгоритмических моделей объекта методом каскадного эквивалентирования. Дано развитие адаптивных алгоритмов дистанционной защиты.

Предложен алгоритм, позволяющий реализовать дальнее резервирование ответвительных трансформаторов с заземленной нейтралью в условиях неполнофазного режима. В основе алгоритма лежит ВРС, установленное на стороне высшего напряжения ответвления.

Дано развитие классического дистанционного органа применительно к задачам дальнего резервирования. Показано, что для защиты трансформаторов с Y0/Y -12 группой соединения обмоток целесообразно применение междуфазных замеров сопротивления, а для трансформаторов с У0/Д-11 группой соединения — фазных замеров сопротивления.

Создана микропроцессорная защита дальнего резервирования «Бреслер-0107.030» с повышенной чувствительностью и селективностью при замыканиях в ответвительных трансформаторах малой мощности. В основу работы защиты заложены методы информационного анализа. Защита не только обеспечивает устойчивую работу энергосистемы при повреждениях на линиях с ответвительными подстанциями, но и позволяет уменьшить степень разрушения поврежденных элементов в аварийных ситуациях. Защита имеет более совершенные алгоритмы работы по сравнению с ранее выпускавшимися единичными образцами.

Терминалы защиты «Бреслер-0107.030» запущены в серийное производство, эксплуатируются в энергосистемах Тулэнерго, Тамбовэнерго, Ярэнерго, Тюменьэнерго и Камчатскэнерго. Получен положительный опыт эксплуатации.