Совершенствование органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей
111
На правах рукописи
РАДИОНОВ Владислав Михайлович
Совершенствование органов направления
мощности для релейной защиты
электрических сетей
Специальность: 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2011
Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом
университете
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Коробейников Борис Андреевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Стрижков Игорь Григорьевич кандидат технических наук Литаш Борис Сергеевич |
| Ведущая организация: | ОАО «Научно-производственная компания «Ритм» |
Защита диссертации состоится 4 октября 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.100.06 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350058, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. №410
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2А
Автореферат разослан: 2 сентября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.06,
канд. техн. наук, доцент Копелевич Л.Е.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Одной из важнейших отраслей экономики является электроэнергетика, без надежного функционирования которой невозможно обеспечить полноценное социально-экономическое развитие общества. С технической точки зрения электроэнергетика есть совокупность электротехнических комплексов и систем. В свою очередь, релейная защита и противоаварийная автоматика входит в состав таких комплексов как неотъемлемая часть. Рост потребления электроэнергии и генерирующих мощностей, усложнение электротехнических комплексов и систем требуют постоянного совершенствования устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗиПА).
Органы направления мощности входят в состав токовых направленных защит, которые применяются на ЛЭП с двухсторонним питанием, на распределительных устройствах имеющих питание с двух или более сторон, в состав автоматики ввода резерва на подстанциях с синхронными электродвигателями.
В настоящее время в эксплуатации находятся устройства РЗиПА разных поколений, выполненные на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. Использование микропроцессорной элементной базы считается наиболее перспективным направлением развития техники РЗиПА. Однако обобщение опыта эксплуатации этих устройств за последнее время, показывает, что микропроцессорные терминалы РЗиПА в ряде случаев имеют худшие показатели надежности, чем электромеханические устройства.
В связи с этим, актуальной является как задача совершенствования органов направления мощности, выполненных на микропроцессорной элементной базе, так и разработка органов направления мощности на основе новых устройств.
Целью работы является совершенствование органов направления мощности посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить точность, быстродействие и надежность их работы, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.
Задачи исследования:
- обоснование необходимости совершенствования органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей;
- исследование искажений информации от перегруженных трансформаторов тока и их влияния на работу органов направления мощности;
- разработка устройства позволяющего обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков тока;
- разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по фазе устойчивого к искажениям информации;
- разработка органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
- разработка и исследование математической модели органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
- проведение экспериментальных исследований опытного образца реле направления мощности.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.
Научная новизна:
- разработан орган направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
- разработана математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
- разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочувствительных органов, основанных на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению.
Практическая ценность:
- предложена структурная схема устройства для определения насыщения магнитопровода трансформатора тока;
- предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;
- разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
- разработана конструкция и изготовлено реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:
- на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;
- на научно-практических конференциях «Электроэнергети-ческие комплексы и системы» (Краснодар, 2005, 2007 гг.);
- на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2006 г.);
- на международных научных конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009, 2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них одна – в периодическом издании, рекомендованном ВАК России для публикации научных работ. Получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Основные положения, выносимые на защиту:
- алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;
- математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;
- новое реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 146 страниц, 65 рисунков, 4 таблицы и 64 источника.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации, реализации результатов исследований и личном вкладе автора.
В первой главе проанализированы существующие принципы построения и алгоритмы работы органов направления мощности на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. Показано, что существующие принципы построения и алгоритмы работы органов направления мощности имеют ряд принципиальных недостатков, в связи с чем, возникает необходимость их совершенствования на основе разработки новых алгоритмов и устройств.
Во второй главе выполнено моделирование на ЭВМ работы перегруженных трансформаторов тока при насыщении магнитопровода. По результатам моделирования был произведен анализ искажений от перегруженных трансформаторов тока и их влияния на работу органов направления мощности основанных на известных принципах. Предложен алгоритм микропроцессорного органа направления мощности, устойчивого к искажениям от трансформаторов тока.
Фазы тока и напряжения в произвольный момент времени можно определить по выражениям:
; 
,
где u – мгновенное значение напряжения, i – мгновенное значение тока, – круговая частота.
Приведенные выражения справедливы для случая синусоидальных величин i и u, для несинусоидальных величин будет иметь место некоторая погрешность алгоритма, определяемая величиной погрешности трансформаторов тока (ТТ) и величиной апериодической составляющей.
Для построения алгоритма устойчивого к искажениям информации от ТТ, вычисление угла сдвига фаз необходимо выполнять только на неискаженных участках кривой тока.
Работа предлагаемого устройства для определения участков с искаженной кривой тока основана на анализе производных мгновенного значения тока. В момент перехода сигнала тока в зону или из зоны искажений имеет место скачкообразное изменение величины производной входного сигнала тока, что может являться критерием определения искаженных участков.
Предложен алгоритм реле направления мощности устойчивый к искажениям информации от ТТ (рисунок 1). Для определения работоспособности описанного алгоритма и устройства его реализующего, был проведен вычислительный эксперимент на ЭВМ в среде Simulink® продукта MATLAB®, в котором была использована математическая модель ТТ в условиях насыщения, а также модель описанного устройства.
Проведенные экспериментальные исследования работы алгоритма показали, что погрешности измерения угла сдвига между током и напряжением не превышают 6% и при этом обеспечивается работа алгоритма при искажении информации от ТТ. Быстродействие алгоритма определяется скоростью вычислений микропроцессора. Вычислительная мощность современных микропроцессоров применяемых для реализации подобных алгоритмов позволяет говорить о быстродействии, измеряемом единицами миллисекунд.
Рисунок 1 Алгоритм микропроцессорного органа направления мощности устойчивого к искажениям информации от трансформаторов тока
В третьей главе предложен орган направления мощности (ОНМ) на основе однофазных трансформаторов с вращающимся полем (ОТВП). Разработана математическая модель (система дифференциальных и алгебраических уравнений в матричной форме) для схемы замещения органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочувствительных органов на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Произведена идентификация параметров однофазных трансформаторов тока и напряжения с вращающимся магнитным полем. Произведен анализ влияния точности изготовления обмоток однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем на характеристики фазочувствительного органа.
Предлагаемый ОНМ, является измерительным органом (ИО) с двумя подведенными электрическими величинами, работа которого основана на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению. Повышение быстродействия и точности работы достигается применением многофазного выпрямления вместо однофазного. Получение многофазной системы напряжений из однофазного напряжения и тока в устройстве возможно с применением трансформаторов специальной конструкции – однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. ОТВП представляет собой многофазный трансформатор, имеющий магнитопровод конструктивно подобный магнитопроводу статора электрической машины, первичные обмотки, служащие для получения вращающегося магнитного поля и многофазные вторичные обмотки для формирования многофазной системы напряжений. Конструкция ОТВП позволяет очень удобно, естественным образом формировать информационные признаки сигналов величины 
:
где 
постоянные комплексные коэффициенты, формируемые пространственным расположением и электрическим соединением групп вторичных многофазных обмоток.
Функциональная схема предлагаемого ОНМ представлена на рисунке 2. К входу ОНМ подводятся напряжение и ток от трансформаторов напряжения и трансформаторов тока защищаемого присоединения. Подводимые к ОНМ величины можно записать в следующем виде
,
.
Рисунок 2 Функциональная схема предлагаемого органа направления мощности
В устройстве имеются два ОТВП, для преобразования тока ОТВП (i), и для преобразования напряжения ОТВП (u). Каждый ОТВП осуществляет преобразование подведенной величины, как по амплитуде, так и по фазе. На входе выпрямителей V1,V2 формируются многофазные системы напряжений e1n,e2n в соответствии с соотношениями:
;
;
;
Многофазные системы напряжений e1n,e2n выпрямляются многофазными выпрямителями V1,V2 и затем сравниваются по амплитуде органом сравнения, представляющим собой нуль-индикатор, на выходе которого формируется сигнал о срабатывании. Нуль-индикатор воздействует на выходное реле К.
В общем случае использование предлагаемого ОНМ на основе ОТВП позволит получить следующие преимущества перед известными принципами построения ИО и комплексов РЗ:
- возможность формирования ОТВП информационных признаков сигналов;
- уменьшение пульсаций на сравнивающем элементе за счет многофазного выпрямления;
- отсутствие сложных фильтров и сглаживающих устройств;
- увеличение точности работы;
- повышение быстродействия;
- возможность использования ОТВП вместо разделительных трансформаторов МПРЗ;
- отказ от сложных алгоритмов МПРЗ слабоустойчивым к искажениям информации;
- возможность реализации на одних ОТВП, кроме ОНМ пусковых органов тока, напряжения и др.;
- высокая надежность;
- невысокая стоимость.
Рисунок 3 – Принципиальная схема органа направления мощности
Пример практического выполнения принципиальной схемы ОНМ показан на рисунке 3. На схеме, ОТВП напряжения и токовый ОТВП имеют две одинаковые шестифазные вторичные обмотки 1,3 и 2,4 соответственно. Сформированные на последовательно соединенных шестифазных обмотках 1,2,3,4 напряжения, выпрямляются выпрямителями V1,V2. Приняты следующие сдвиги фаз между обмотками: 1=0°, 2=30°, 3=120°, 4=150°, 5=240°, 6=270°, что обеспечивает 12-ти пульсное выпрямление. Конденсатор С выполняет сглаживание незначительных пульсаций выпрямленного напряжения.
Для разработки ОНМ на основе ОТВП была разработана методика определения параметров первичных обмоток ОТВП. По разработанной методике проводилось определение параметров для симметричной четырехобмоточной схемы ОТВП, схема первичных цепей которого приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 Схема первичных цепей однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем
Соотношения между элементами схемы определяются как:
(1)
где L – базовая индуктивность, R – базовое сопротивление.
Зависимость индуктивности обмоток ОТВП и дросселя от активного сопротивления их обмоток можно представить выражениями
, 
.
Задачей идентификации параметров первичных обмоток ОТВП является определение величин p и q для определения величины индуктивности дросселя L5 и сопротивления R6. Для определения величин p и q, с учетом условий необходимых для получения вращающегося магнитного поля получена система нелинейных уравнений:
(2)
Для решения полученной нелинейной системы уравнений была применена оптимизационная функция «fsolve» встроенная в среду MATLAB. Решение системы (2) производилось для расчета балансных элементов ОТВП тока и напряжения экспериментального образца реле направления мощности. При этом были получены следующие значения искомых коэффициентов:
- для ОТВП тока p= 1,6675, q= 1,3993;
- для ОТВП напряжения p= 0,7334, q= 19,18.
Математическую модель органа направления мощности на основе ОТВП можно записать в виде следующей системы уравнений:
(3)
где 
– вектор входных напряжений, 
– вектор токов, 
– векторы сравниваемых величин, 
– векторы токов вторичных обмоток ОТВП,
– векторы сопротивлений нагрузки вторичных обмоток ОТВП, UНИ – напряжение, подаваемое на нуль-индикатор, R – сопротивление сглаживающей цепи, С – емкость сглаживающей цепи, UВЫХ – напряжение подаваемое на нуль-индикатор с учетом сглаживающей RC цепи, 
– матрица активных сопротивлений, 
– матрица собственных и взаимных индуктивностей.
Для построения математической модели ОНМ в матричной форме при несинусоидальных входных величинах, возможно применение теории преобразования Фурье и принципа наложения. В этом случае матричное уравнение описывающее работу ОНМ при несинусоидальных сигналах будет иметь вид:
,
(4)
где i номер гармонической составляющей, n количество рассматриваемых гармоник сигнала.
На основе предложенной математической модели предлагаемого органа предложен алгоритм его работы, представленный на рисунке 5.
Рисунок 5 Алгоритм работы органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем
В четвертой главе выполнено математическое моделирование существующих принципов работы и алгоритмов органов направления мощности. Предложена конструкция опытного образца реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Математическая модель органа направления мощности на основе ОТВП реализована в среде MATLAB на основе блока State-Space, который представляет собой динамический объект, описываемый уравнениями пространства состояний:
,
(5)
где u – входной вектор размера 121, описывающий 12 независимых источников, десять из которых нулевые для рассматриваемой задачи, y – вектор, описывающий 12 выходных величин и имеющий размерность 121, x – вектор размера 121, описывающий независимые переменные.
Матрицы A, B – постоянные действительные матрицы соответствующего размера, вычисляемые по выражениям:
(6)
Матрица C – диагонально-единичная размера 1212, а D – нулевая той же размерности.
Решение составленного матричного уравнения (5), выполнялось в среде MATLAB® с использованием блока пространства состояний «State-Space model». На основе полученного блока пространства состояний, реализующего математическую модель предлагаемого органа направления мощности, была исследована его работа в составе электротехнического комплекса, содержащего линию электропередач с двухсторонним питанием и трансформатор тока. На рисунке 6 приведена диаграмма работы исследуемого органа при коротком замыкании на линии с двухсторонним питанием, причем работа органа происходит на границе зоны срабатывания. На диаграмме приведены графики тока и напряжения, подаваемых на орган, графики сравниваемых величин Е1, Е2 в виде шестифазной системы напряжений, график выпрямленного напряжения после сглаживающего фильтра и состояние контактов выходного реле.
Рисунок 6 Диаграмма работы органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в режиме перегруженных трансформаторов тока
Для подтверждения теоретических положений были проведены натурные испытания опытного образца предложенного реле направления мощности. Испытания проводились в лаборатории релейной защиты и автоматики ОАО «Кубаньэнерго» с использованием испытательного комплекса на основе прибора РЕТОМ-41, который позволяет производить проверку характеристик устройств релейной защиты. Оценка полученных результатов испытаний работы реле направления мощности на основе ОТВП (РМОТВП) выполнялась путем сравнения с результатами испытаний в аналогичных условиях серийного микроэлектронного реле направления мощности типа РМ12. На рисунке 7 представлена полученная по результатам испытаний зависимость погрешности угла максимальной чувствительности реле от полной погрешности ТТ.
Рисунок 7 Зависимость погрешности угла максимальной чувствительности реле от полной погрешности ТТ
На рисунке 8 приведена зависимость времени срабатывания реле от полной погрешности ТТ. Проведенные испытания показали, что при полной погрешности ТТ fi=50%, погрешность угла максимальной чувствительности нового реле – около 7%, быстродействие 25 мс, для сравнения у реле РМ12 эти же параметры составляют 17% и 56 мс соответственно.
Рисунок 8 Зависимость времени срабатывания реле от полной погрешности ТТ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:
- Существующие конструкции, схемы и алгоритмы органов направления мощности на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков. Необходимо совершенствование органов направления мощности, используя новые принципы и алгоритмы, в частности алгоритмы устойчивые к искажениям информации от трансформаторов тока, устройства с вращающимися магнитными полями, которые позволяют повысить надежность, точность работы, быстродействие защиты вместе со снижением ее стоимости.
- Предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока.
- Максимальная величина абсолютной погрешности разработанного алгоритма органа направления мощности, при полной погрешности трансформаторов тока, достигающей 60%, не превышает 6° для сигнала с апериодической составляющей, и 2° для синусоидального сигнала. В сравнении с существующими схемами и алгоритмами, улучшены показатели точности работы.
- Разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.
- Разработана методика анализ и синтеза характеристик органов направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.
- Разработана математическая модель нового органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в виде матричных уравнений пространства состояний.
- Разработана конструкция нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.
- Произведены численные и натурные эксперименты, результаты которых подтверждают теоретические основы создания реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и показывают улучшение технических характеристик реле по сравнению с существующими.
ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научная статья, опубликованная в издании по списку ВАК
- Радионов В.М. Фазочувствительный орган релейной защиты на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2010. № 4. С. 28-31.
Публикации в других изданиях
- Радионов В.М. Алгоритм сравнения двух электрических величин по фазе для противоаварийной автоматики выполненной на микропроцессорной элементной базе / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции. Куб. гос. технол. ун-т. / Краснодар: изд. ГОУ ВПО “КубГТУ”, 2005. С. 131-133.
- Радионов В.М. Алгоритм сравнения двух электрических величин по фазе при искажениях информации от трансформаторов тока для релейной защиты / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции. Куб. гос. технол. ун-т. / Краснодар: изд. ГОУ ВПО “КубГТУ”, 2006. С. 38-41.
- Радионов В.М. Устройство для определения искаженных участков кривой тока во вторичной обмотке трансформатора тока при насыщении сердечника / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции. Куб. гос. технол. ун-т. / Краснодар: изд. ГОУ ВПО “КубГТУ”, 2007. С. 199-201.
- Радионов В.М. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем без учета активных сопротивлений обмоток / Б.А. Коробейников, А.И. Ищенко, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2008. С. 8-11.
- Радионов В.М. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем и учетом активных сопротивлений обмоток / Б.А. Коробейников, А.И. Ищенко, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2008. С. 12-14.
- Радионов В.М. Анализ работы фазочувствительного органа на выпрямленных токах / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2009. С. 131-136.
- Радионов В.М. Анализ работы фазочувствительного органа на выпрямленных токах при перегруженных трансформаторах тока / В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2009. С. 137-140.
- Радионов В.М. Анализ работы реле направления мощности типа РМ 11 / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2009. С. 141-143.
- Радионов В.М. Фазочувствительный орган для релейной защиты на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем / В.М. Радионов // Технические и технологические системы: Материалы международной научной конференции. Краснодар: КВВАУЛ, 2009. С. 91-94.
- Радионов В.М. Анализ влияния точности изготовления обмоток трансформаторов с вращающимся магнитным полем на характеристики фазочувствительного органа релейной защиты / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Технические и технологические системы: Материалы второй международной научной конференции ТТС-10. Сборник материалов / Под общ. ред. акад. АЭН РФ проф. Б.Х. Гайтова. Краснодар: КВВАУЛ, 2010. С. 175-179.
- Решение о выдаче пат. на изобретение РФ по заявке № 2009120253/07 от 27.05.2009 г., МПК Н01F29/14, Н02H 3/38 (2006.01). Реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем / Коробейников Б.А., Коробейников А.Б., Радионов В.М.; заявитель ООО «Электроинтел».
