АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВ
в диспетчерские центры, как это сделано у иностранных системных операторов. Преимущества устройств СВИ заключаются в их более высокой скорости обновления информации по сравнению с телеизмерениями, точность этих измерений и синхронизация по времени – с глобаль- ными навигационными спутниковыми системами, дающими возможность сопоставлять измерения с разных частей энергосистемы. УСВИ представляют собой наиболее удобный и точный способ получения информации о векторах токов (действующие значения основной гар- моники силы фазного тока Ia, Ib, Ic и абсолютный угол тока δIa, δIb, δIс) и напряжении (действующие значения основной гармоники фазного напряжения Ua, Ub, Uc и абсолютный угол напряжения δUa, δUb, δUс) в конкретной точке энергосистемы. Согласно [2,5]
в каждом УСВИ должна быть реализована скорость передачи данных 1, 10, 25, 50 и 100 кадров в секунду.
Все эти достоинства наводят на мысль об использовании данных устройств в составе функций релейной защиты (РЗ), что и является предметом проверки.
II. ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ УСВИ И РЗ
Анализ возможности использования УСВИ для реализа- ции функций быстродействующих устройств релейной защиты (РЗ) проводится на примере дифференциальной защиты шин (ДЗШ) и продольной дифференциальной защиты линии (ДЗЛ). При анализе использования СВИ для реализации функций быстродействующих устройств РЗ необходимо сопоставить их динамические характе- ристики с требованиями по быстродействию реализуемых алгоритмов. Особенно важны для задач РЗ значения времени реакции и задержки передачи результатов измерений (табл. I).
ТаблицаI–ТРЕБОВАНИЯ К ДИНАМИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ УСВИ КЛАССА P
Динамические характеристики УСВИ
Скорость передачи данных n, кадров/секунду
10 25 50 100 200
Время реакции1, мсек 25 10 5 2,5 1,25 Время задержки передачи
результатов измерений2,
мсек 200 80 40 20 10
Примечание. 1Время реакции определяется как интервал времени между моментом, когда сигнал с мгновенным (резким) изменением амплитуды подан на вход УСВИ, и временем измерения, когда изменя- ющийся параметр достигает значения, равного половине от амплитуды изменения.
2Время задержки передачи результатов измерений – это период вре- мени с момента возникновения события до момента его отражения в данных измерений. Время задержки выдачи результатов измерений зависит от размеров окна обработки сигнала, метода измерений, типа и настройки фильтра, времени обработки данных в УСВИ, а также мо- мента мгновенного изменения параметра по отношению к интервалу обработки УСВИ. Фактически эти параметры зависят от класса точности УСВИ и скорости передачи данных. Время задержки выдачи данных УСВИ определяется как максимальный интервал времени между време- нем подготовки сообщения, по метке времени, и моментом, когда дан- ные доступны на выходе УСВИ.
Согласно стандартам [2, 5] временные характеристики, представленные в табл. I, получены при скачкообразном изменении амплитуды и фазы тестового сигнала на 10 %.
Можно показать (рис. 1), что время реакции и задержки передачи результатов измерений не зависят от амплитуды скачка измеряемого параметра (линейный режим).
Рис. 1 – Время реакции и задержка передачи результатов измерений УСВИ
Устройства релейной защиты должны обеспечивать максимально быстрое отключение поврежденного объекта и, соответственно, к их быстродействию устройств в зави- симости от повышения класса напряжения предъявляются более строгие требования [4, 6].
Точное время срабатывания устройств РЗА определяется с учетом вида защищаемого объекта и типа защиты, при этом следует принимать во внимание следующие моменты:
1. Ускорение отключения повреждений повышает:
устойчивость параллельной работы генераторов в системе, что дает возможность увеличить про- пускную способность ВЛ электропередачи;
эффективность АПВ поврежденных ЛЭП.
2. Ускорение отключения повреждений уменьшает:
время работы потребителей при пониженном напря- жении;
размер разрушения поврежденного элемента.
В стандарте [3] приводятся технические требования и программа функциональных испытания для всех видов защит напряжением 6–750 кВ. Согласно данному стандарту, можно примерно оценить необходимые времена срабаты- вания РЗ для различных классов напряжений: в сетях сверхвысокого напряжения (более 330 кВ) необходимо отключать КЗ за 0,01–0,06 с, в сетях высокого напряжения (110–220 кВ) это время составляет порядка 0,03–0,06 с, а в распределительных сетях (6–35 кВ) – 0,05–0,1 с.
Более того, полное время отключения КЗ зависит не только от времени работы защиты, но и от времени работы выключателя, которое, в свою очередь, зависит от его типа. С учетом данного факта, минимальное время отключения повреждения получается около 0,1 с.
Требования к быстродействию ДЗШ по стандарту ПАО «ФСК ЕЭС» [3] составляет не более трех периодов промышленной частоты при переходе внешнего КЗ во внутреннее и не более 30 мс при внутреннем.
откл. КЗ РЗ выкл,
t t t (1) где tоткл. КЗ полное время отключения КЗ; tРЗ время срабатывания релейной защиты; tвыкл – собственное время отключения выключателя.
Для ДЗЛ на напряжение 110–220 кВ, к которой согласно стандарту предъявляются требования к времени срабаты- вания алгоритма, ДЗЛ в 25 мс, а при переходе внешнего короткого замыкания (КЗ) во внутреннее в условиях наличия насыщения ТТ – не более 60 мс. Соответственно, время отключения от ДЗЛ и ДЗШ можно принять одина- ковым и равным 0,16 с.
III. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСВИ
ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ДЗШ И ДЗЛ
Для исследования возможности применения УСВИ для реализации функций ДЗШ была смоделирована схема РУ 2ССШ с ОСШ и 12-ю присоединениями (рис. 2).
На основе схемы замещения сети в среде MatLab Simulink была воссоздана имитационная модель объекта.
В процессе моделирования можно получить мгновенные значения токов и напряжений (синусоиды) при любом виде КЗ в любом месте схемы как во вторичных величи- нах, так и в первичных. Наиболее опасным режимом явля- ется режим трехфазного короткого замыкания на шинах, который связан с наибольшим значением протекающего тока. Далее проводится анализ на основе этого режима.
Исследуемым сигналом является суммарный диффе- ренциальный ток Idif , который получается путем вектор- ного сложения токов всех присоединений:
12 1
dif i ,
i
I I
(2) где Ii мгновенное значение тока i-го присоединения.В процессе моделирования проверяется возможность обеспечения требований стандарта [2, 5] при использова- нии допустимых значений времен реакции задержки пе- редачи результатов измерений и проводится выбор допу- стимой скорости передачи данных. В табл. II приведено время срабатывания смоделированного алгоритма УСВИ для ДЗШ.
ТаблицаII–РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ УСВИ ДЛЯ ФУНКЦИЙ ДЗШ С РАЗЛИЧНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Количество выборок
Время срабатывания алгоритма, мс окно обработки
4-го периода
окно обработки 1-го периода
200 55 20
100 60 20
50 60 20
25 80 40
10 100 100
1 > 1000 > 1000
Для реализации функции ДЗЛ испытания проводятся на модели реально-действующей воздушной линии 220 кВ, схема которой представлена на рис. 3.
Условия испытаний и последовательность режимов, представленные в табл. III, полностью соответствуют стандарту [3]. В некоторых случаях опыты были немного изменены, для утяжеления проверки использования УСВИ для быстродействующих защит.
ТаблицаIII–УСЛОВИЯ И РЕЖИМЫ ПРОВЕРКИ ДЗЛ Номер
опыта Цель опыта
1
Проверка защиты и ТАПВ при неустойчивом КЗ на ВЛ.
Условия:
место КЗ – начало линии (у подстанции А);
фаза включения напряжения UA равна 0°;
вид КЗ – К(3)ABC;
переходное сопротивление в месте КЗ равно 0.
место установки защиты – подстанция Б.
Последовательность режимов:
нормальный нагрузочный режим;
возникновение КЗ;
трехфазное отключение линии защитами с двух сторон;
исчезновение КЗ через 0,3 с;
ТАПВ со стороны подстанции А по факту отсутствия напряжения (уставка tАПВ1, 5с);
ТАПВ со стороны подстанции Б с контролем синхронизма – включение в транзит через 200 мс после включения первого конца (ТАПВ с разновременностью:
АВ – вместе, С – через 10 мс)
2 Проверка защиты и ТАПВ при устойчивом КЗ на ВЛ 3 Устойчивое внешнее несимметричного КЗ с его отключением 4 Переход внешнего несимметричного КЗ в симметричное внут-
реннее КЗ 5
Внешнее несимметричное КЗ с реверсом мощности на парал- лельной линии, переходящее в симметричное в той же точке до отключения второго выключателя
6
Внешнее несимметричное КЗ с реверсом мощности на парал- лельной линии, переходящее в симметричное внутреннее до отключения второго выключателя
7 Асинхронный режим на ВЛ в следствии возникновения внешнего КЗ и переходом его во внутреннее
На рис. 4 в качестве примера представлена осцилло- грамма обработанного посредством алгоритма УСВИ, описанного в программном комплексе MatLab, сигнала
Idif из 1-го опыта.
Время срабатывания смоделированного алгоритма УСВИ для ДЗЛ на основе проведённых опытов приведено в табл. IV.
ТаблицаIV–СРАВНЕНИЕ ВРЕМЁН СРАБАТЫВАНИЯ АЛГОРИТМА ДЗЛ С РАЗНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОБРАБОТКИ
№ опыта
Окно обработки 1T Окно обработки 2T Окно обработки 5T 1 выборка 4 выборки 1 выборка 4 выборки 1 выборка 4 выборки
1 20 5 20 15 40 35
2 20 15 20 20 60 45
3 – – – – – –
4 30 25 50 40 140 95
5 – – – – – –
6 10 10 30 20 50 45
7 20 10 20 20 40 40
Рис. 2 – Исследуемая схема для реализации функций ДЗШ Рис. 3 – Исследуемая схема для реализации функций ДЗЛ
После анализа результатов табл. II и IV можно сделать следующие выводы:
1. Время срабатывания алгоритма сильно зависит от параметров электроэнергетического режима, при которых возникают повреждения, влекущие за собой увеличение или уменьшение время срабатывания.
2. Могут возникать такие варианты развития событий, когда получение сигнала о срабатывании может быть получено на 5 или 20 мс позже при 1 или 4 выборках за период, соответственно, из-за того, что уставка немного выше, чем предыдущая выборка.
И несмотря на то, что, например, для ДЗЛ синхро- низация по времени между полукомплектами акту- альна, такие значения задержек в срабатывании вместе с временем реакции и задержкой передачи результатов измерений могут быть критическими.
IV. ВЫВОДЫ
Для обеспечения приемлемого времени срабатывания устройство должно формировать не менее 200 измерений в секунду и обрабатывать сигнал с окном в один период промышленной частоты, обеспечивающим суммарное
значения времен реакции и задержки передачи результа- тов измерений не более 11,25 мс. Для возможности надежной работы РЗ с использованием УСВИ по предва- рительным оценкам эти числа могут доходить до 600.
УСВИ со скоростью передачи данных n < 200 кадров в секунду однозначно не подходят для целей релейной защиты в силу слишком большого времени срабатывания защиты.
Список литературы
[1] Перспективы применения синхронизированных векторных измерений //
Цифровая подстанция. 2017. Вып. 8. URL: http://www.youblisher.com/
p/1909843-Цифровая-подстанция-8/
[2] СТО 59012820.29.020.011-2016. Стандарт релейная защита и автома- тика. Устройства синхронизированных векторных измерений. Нормы и требования. М.: АО «СО ЕЭС», 2016. 37 с.
[3] СТО 56947007-29.120.70.241-2017. Технические требования к микро- процессорным устройствам РЗА. М.: ПАО «ФСК ЕЭС», 2017. 223 с.
[4] Релейная защита // Правила устройства электроустанвок. 7-е изд.
М.: Моркнига, 2018. 512 с.
[5] IEEE C37.118.1-2011 // Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems.
[6] Чернобровов Н.В., Семёнов В.А. Релейная защита энергетических систем. М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 1998.
© IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2018»
Рис. 4 – Осциллограмма дифференциального тока опыта № 1