Применение статистического подхода для повышения эффективности токовых защит дальнего резервирования д.т.н. Александр Леонидович Куликов аспирант Александр Николаевич Клюкин Москва Электрические сети России – ЛЭП 2010

Современное состояние техники токовых защит дальнего резервирования Основные защиты Вспомогательные защиты Резервные защиты Ближнее резервирование Дальнее резервирование Классификация РЗ по выполняемым функциям Рисунок 1 – Классификация РЗ по исполняемым функциям (1) (2) (3) (4) Детерминированный способ расчета тока срабатывания и проверка чувствительности РЗ

Современное состояние техники токовых защит дальнего резервирования Эффективность функционирования РЗ * Рисунок 2 –Повышаемые показатели по критериям оценки эффективности функционирования РЗ Надежность СелективностьЧувствительность * Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем: Учебник для вузов. - М.: Энергия, с. Быстродействие

Современное состояние техники токовых защит дальнего резервирования Q1 Рисунок 3 - Принципиальная схема резервирования Q3Q3 РЗ 2РЗ 1 W1 G1G1 W2W2 Q2Q2 РЗ 3 W3W3 Основная зона РЗ 1 Резервная зона РЗ 1 Основная зонаРезервная зона 1,5 1,2 Рисунок 4 – Нормативное наименьшие значения коэффициентов чувствительности Коэффициенты отстройки Предел изменения K зап 1.1 – 1.2 K воз 0.8 – 0.96 K с.зап K н.с. 1.1 – 1.5 Таблица 1 – Рекомендуемые значения коэффициентов

Дальнее резервирование является неотъемлемой частью системы РЗ и обладает большей полнотой резервирования в сравнении с ближним резервированием. Существующие технические решения, направленные на увеличение чувствительности и использующие дополнительные информационные признаки, отчасти решают задачу увеличения эффективности функционирования РЗ. Использование детерминированного подхода при расчете тока срабатывания РЗ может привести к необоснованному загрублению чувствительности. В нормативной документации отсутствует дифференцированный подход к построению системы РЗ в зависимости от категории потребителей электроэнергии и удаленности защищаемого объекта. Актуальной задачей является распознавание минимальных аварийных режимов на фоне максимальных нагрузочных в области их близких значений и принятии решения о действии РЗ Современное состояние техники токовых защит дальнего резервирования

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Участок сети 110 кВ ПС Быструха – ПС Котельнич Нижегородской энергосистемы Рисунок 5 – Участок сети 110кВ Нижегородской энергосистемы

Удельное сопротивление грунта Удельное активное сопротивление проводов ВЛ Частота тока Напряжение на шинах центра питания Индуктивность и емкость ВЛ Нагрузка потребителей Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Изменяемые параметры схемы замещения элементов ЭЭС

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 6 –Изменение удельного активного сопротивления проводов ВЛ

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 7 – Сезонное изменение удельного сопротивления грунта

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 8 – Относительное изменение удельного сопротивления грунта от содержания в нем влаги

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 9 – Изменение частоты тока в Нижегородской энергосистеме

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 10 – Изменение напряжения на шинах питающей подстанции 110 кВ

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 11 – Изменение индуктивности ВЛ

Законы изменения параметров элементов сети Рисунок 12 – Изменение емкости ВЛ

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Имитационное моделирование Имитационная модель Одно испытание Множество испытаний Применение имитационного моделирования: 1. Мощный инструмент анализа сложных процессов и систем 2. Отсутствие возможности экспериментировать на реальном объекте. 3. Наличие в системе времени, причинных связей, нелинейности, стохастических (случайных) переменных. Рисунок 13 – Способы имитационного моделирования Статистическое имитационное моделирование

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Модель участка сети 110 кВ Нижегородской энергосистеме в Matrix Laboratory Рисунок 14 – Модель участка сети Нижегородской энергосистемы в Simulink\Matrix Laboratory

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Алгоритм расчета режимов в Matrix Laboratory no yes Расчет z Z = Z+1 Z > V Конец Создание схемы Simulink\SimPowerSystem Z = 1; k = 1; l = 1 abs(I j ) max 1 max 2 save (I jz ) workspace Начало parameters.mat Анализ топологии схемы Получение параметров блока Вычисление модели пространства состояний Определение начальных значений переменных Расчет установившегося режима Дискретизация модели Построение Simulink-модели Расчет z Создание схемы Simulink\SimPowerSystem Z = 1 ; k = 1; l = 1 Z = Z+1 abs(I j ) max 1 max 2 save (I j z ) yes l = l+1 no yes no Z > V Конец k > n k = k+1 no yes l > m workspace Начало parameters.mat Анализ топологии схемы Получение параметров блока Вычисление модели пространства состояний Определение начальных значений переменных Расчет установившегося режима Дискретизация модели Построение Simulink-модели Рисунок 15 – Блок – схема расчета рабочих режимов Рисунок 16 – Блок – схема расчета аварийных режимов

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Рассматриваемые режимы ЭЭС Режимы ЭЭС Рабочие Аварийные Рисунок 17 – Имитируемые режимы ЭЭС МинимальныеМаксимальные МинимальныеМаксимальные

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Результаты моделирования в Matrix Laboratory на примере ВЛ 176 Рисунок 18 – Распределение и аппроксимация рабочего тока ВЛ 176 Рисунок 19 – Распределение и аппроксимация минимального аварийного тока ВЛ 176 Рисунок 20– Распределение рабочих и аварийных токов ВЛ

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Результаты моделирования в Matrix Laboratory на примере ВЛ Рисунок 21 – Общая область значений в распределениях рабочих и аварийных токов ВЛ 176

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Критерий построения РЗ (5)(5) (6)(6) (7)(7) Минимизация математического ожидания потери эффективности релейной защиты Пороговое значение сравниваемой величины Критерий сравнения

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Результаты моделирования в Matrix Laboratory на примере ВЛ 176 I ср P изл P отк Рисунок 22 – Выбор порога срабатывания РЗ

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Способы расчета величины срабатывания РЗ (8) (9) вариант 2 вариант

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Эффективность разработанных технических решений Рисунок 23 – Сравнение способов расчета порогового значения Таблица 2 – Расширение зоны действия РЗ Зона резервирования Объект резервирования Детерминированный методСтатистический метод 1Т5–+ 2Т4–+ 3 Т3–– Т2–+ 4Т1–+ (11) (13) (12) (10) Ĩ ср =352.1A I ср =2179A

Технические решения и эффективность применения статистической информации Техническая реализация статистического алгоритма Н2 Н1 QF 1 ~ G ПС 1 ПС 2ПС 3 TA 1 TA 3 TA 2 QF 2 QF 3 Аналого-цифровое преобразование [I 2 ср (σ 2 к.з. - σ 2 раб ) + 2 I ср (M(I к.з. )·σ 2 раб + M(I раб )·σ 2 к.з. )] [2·(M(I к.з. )·σ 2 раб + M(I раб )·σ 2 к.з. )] Согласующий трансформатор Делительный резистор НЧ-фильтр Усилитель Мультиплексор MUX Цифровой фильтр АЦП A/D Исполнительный орган Выходные реле Цифровая обработка сигнала МП терминал РЗ–1 МП терминал РЗ–1 Memory СС Логический орган Дискретный сигнал [σ 2 к.з. - σ 2 раб ] Квадратор X X Алгоритм вычисления Цифровое детектирование | I | IaIa IbIb IcIc Информация М(I), σ по результатам моделирования Рисунок 24 – Структурная схема релейной защиты

Выводы Использование статистической информации в сочетании со стохастическими алгоритмами принятия решения обеспечивают высокую чувствительность токовых защит дальнего резервирования в условиях изменяющихся параметрах сети и динамических режимах. Разработанный алгоритм цифровой релейной защиты может быть внедрен в существующие терминалы микропроцессорных защит и не требует их конструктивных изменений и дополнительных финансовых затрат. Предложенный принцип использования статистической информации может быть распространен на другие виды защит с целью повышения их эффективности.

ОАО «ФСК ЕЭС» - Нижегородское ПМЭС г. Нижний Новгород, ул. Шлиссельбургская, 29 (831) НГТУ им. Р. Е. Алексеева г. Нижний Новгород, ул. Минина, Спасибо за внимание!