Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

АЛГОРИТМ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ С ОДНИМ ВХОДНЫМ ТОКОВЫМ СИГНАЛОМ

Никитин К.И. 1 Грисько В.В. 1 Маруськин Д.Е. 1
1 ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»
Проведен анализ электромагнитных и электромеханических переходных процессов электроэнергетиче-ских систем, который явился обоснованием синтеза нового алгоритма органа направления мощности с одной входной величиной. Анализ возможных процессов рассмотрен на основе смоделированных диа-грамм. Принцип действия нового алгоритма заключается в том, что формируется опорный сигнал в виде виртуального вектора тока и с ним сравнивают реальный вектор тока. Это возможно при измере-нии продолжительности каждого периода промышленной частоты тока и сравнения с продолжитель-ностью предыдущего периода. Использование такого принципа позволяет в релейной защите отказать-ся от цепей напряжения, упростив схему подключения, повысить надежность. Приведена и описана структурная схема микроконтроллерного устройства. Предложен и описан алгоритм работы, реализо-ванный по данному принципу.
угол между током и напряжением
токовая защита
направление мощности
1. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: учеб. для электроэнергет. спец. вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985.- 536 с., ил.
2. Кощеев Л.А., Семенов В.А. Системные аварии в Западном энергообъединении США // Электричество. - 1997. - № 10. - С. 24-28.
3. Никитин К. И. Определение направления мощности токовых защит с одной входной величиной // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: тезисы докл. III Междунар. науч.-техн. конф. СИГРЭ. (Санкт-Петербург, 30 мая - 03 июня 2011). - СПб., 2011. - С. 36-37.
4. Никитин К. И. Токовый принцип определения направления мощности для релейной защиты // Омский научный вестник. - 2012. - № 2 (108). - С. 229-233.
5. Пат. 2244994 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 3/38. Способ определения направления мощности токовых защит / К.И. Никитин; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2003120761/09; заявл. 07.07.2003; опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2.
6. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учеб. для вузов. - М.: Энергия, 1970. - 520 с., ил.
7. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем: учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. / А.М. Федосеев, М.А. Федосеев. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 528 с., ил.

Орган направления мощности (ОНМ) используется в релейной защите для определения направления мощности в сетях с двухсторонним питанием или в кольцевых сетях [7]. Защита KA1 (рис. 1) блокируется ОНМ KW1, если повреждение произошло в К2 на отходящем от шин смежном присоединении подстанции.

Рис. 1. Схема подключения с двусторонним питанием

В этом случае через защиту мощность протекает из линии к шинам. При коротком замыкании (КЗ) в К1 (на защищаемой линии) и протекании мощности от шин в линию ОНМ разрешает срабатывать защите. Для работы ОНМ к нему подводятся два сигнала - ток I (от цепей трансформатора тока - ТА1) и в качестве опорного сигнала - напряжение U (от цепей трансформатора напряжения - TV1).

Актуальность. В электроэнергетике во всех направленных защитах для определения направления мощности используются цепи напряжения от трансформатора напряжения TV1. Причем при повреждениях в этих цепях перегорают предохранители (или срабатывают автоматические выключатели), используются специальные блокировки, чтобы не было излишних срабатываний защит. Но 1996 г. в США произошло понижение напряжения при перегрузке трансформатора напряжения, что привело к излишнему срабатыванию дистанционной защиты, из-за чего была спровоцирована системная аварии. Ущерб от нее составил около 800 млн долларов [2]. Из-за возможных отказов, излишних и ложных срабатываний от повреждения в цепях ТН для повышения надежности в данной статье предлагается алгоритм для реализации органа направления мощности (ОНМ) с одной входной токовой величиной (без входных цепей напряжения).

Теоретическое обоснование. Принцип действия основан на разнице в физических процессах изменения длительности периода в электроэнергетических системах: при электромеханических переходных процессах за счет большой инерции, в частности изменение частоты, происходит в течение длительного времени - несколько секунд [1], а при электромагнитных переходных процессах, при КЗ или переключении нагрузки изменение угла происходит на протяжении одного периода промышленной частоты [6]. Построение ОНМ с одним входным токовым возможно потому, что опорный сигнал формируют путем запоминания продолжительности предыдущего периода тока. Так как длительность периода при стабильной частоте (f = 50 Гц) равна углу t = 2π, то угол сдвига фазы в динамике определяют как приращение (разница) между продолжительностью предыдущего tn-1 периода и продолжительностью текущего tn периода тока, умноженное на масштабный коэффициент k, который равен 18000 град/с. Одновременно можно реализовать токовую защиту в ОНМ, для этого измеряют дополнительно величину тока электроустановки IЛ и сравнивают с уставкой тока IУ. Таким образом в каждый период находят угол между текущим значением периода тока и сформированным опорным сигналом как Δt = tn-1 - tn, с учетом коэффициента k найдем Δφn-1 = k Δtn-1 и Δφn = k Δtn, тогда угол сдвига фазы за период может быть найден Δφ = φn-1 - φn или Δφ = k Δt = k (tn-1 - tn). Оценивая соотношения найденных параметров с уставками (при соблюдении всех трех условий), определяем, является ли данный режим аварийным или рабочим:

φ0 + Δφ > φу1; (1)

φ0 + Δφ < φу2; (2)

Iл > Iу. (3)

Если условия (1), (2) и (3) выполняются на протяжении всей выдержки времени tВ,В, то по её истечении защита подаёт сигнал на отключение электроустановки. Реализация направленной защиты по данному алгоритму позволяет использовать один входной токовый сигнал и обойтись без цепей напряжения [4, 5]. Рассмотрим несколько наиболее распространенных режимов:

а) Диаграмма установившегося нормального режима изображена на рис. 2а. В таком режиме отсутствует приращения угла и продолжительность каждого из них равна 0,02 с. Поскольку предлагаемый ОНМ использует динамический принцип действия, то при его включении нужно выставить начальный угол φ0, который соответствует данному режиму (рис. 3а). После измерения φ0 и его установки в ОНМ в нормальном режиме приращение на протяжении наблюдаемых периодов (рис. 2а) между предыдущим и последующим будет равно Δt = tn-1 - tn = 0. Ни одно из условий (1)-(3) не выполняется, защита не работает.

б) Рабочий режим, с большим приращением угла нагрузки (рис. 2б), который возможен в результате включения присоединений с индуктивной нагрузкой. В этом режиме приращение угла меняется в одном периоде, в котором произошло переключение. В ОНМ вычисляется текущий угол тока нагрузки φН = φ0 + Δφ. Несмотря на то, что угловые соотношения (1) и (2) будут удовлетворять срабатыванию защиты, она работает, так как величина тока линии меньше тока уставки Iл < Iу. - не выполняется условие (3). Векторная диаграмма с токами и их угловыми соотношениями показана на рис. 3б.

в) Режим КЗ в зоне действия защиты (рис. 2в) в точке К1 (см. рис. 1) с током IК. Как в предыдущем режиме, в ОНМ вычисляется текущий угол тока КЗ, как в φК = φ0 + Δφ (рис. 3в). В данном режиме и угловые соотношения (1), (2) будут удовлетворять условиям срабатыванию защиты, и величина тока Iл = IК линии будет удовлетворять условию срабатыванию (3).

г) Режим КЗ вне зоны действия защиты (рис. 2г) в точке К2 (см. рис. 1) с током IК. Определяется текущий угол тока КЗ φК = φ0 + Δφ. После вычисления φК сравнивается угловое соотношение (1), которое выполняется, а (2) - не выполняется, хотя и ток Iл = IК линии (рис. 3г) будет удовлетворять условию срабатыванию (3).

д) В электроэнергетической системе с избыточной мощностью при отключении большой доли активной нагрузки начинаетcя увеличиваться частота (рис. 2д). Этот процесс носит длительный характер на протяжении нескольких секунд. Фиксирование факта увеличения частоты происходит при постоянном уменьшении времени периода промышленной частоты на протяжении нескольких секунд.

a

б

 

в

 

г

 

д

 

е

Рис. 2. Временные диаграммы режимов: а - нормальный установившейся режим, без приращения угла нагрузки; б - рабочий режим, с большим приращением угла нагрузки; в - режим КЗ в зоне действия защиты; г - режим КЗ вне зоны действия защиты; д - режим увеличения частоты в системе; е - режим уменьшения частоты в системе

е) Уменьшение частоты происходит обычно в дефицитной электроэнергетической системе при аварийном отключении генерирующего агрегата (рис. 2е). Этот процесс также носит длительный характер на протяжении нескольких секунд, и его фиксируют при постоянном увеличении длительности периодов промышленной частоты.

а

 

б

 

в

 

г

Рис. 3 Временные диаграммы режимов: а - начальный угол φ0 и уставки φУ1, φУ2, IУ в комплексной плоскости тока; б - приращение угла Δφ в рабочем режиме с током с IЛ; в - приращение угла Δφ с током КЗ IК; г - приращение угла Δφ с током КЗ IК вне зоны действия защиты

Реализация токовой направленной защиты может быть осуществлена на элементах аналоговой технике [3, 4], но наиболее рационально это сделать на микроконтроллере. Структурная схема такого устройства показана на рис. 4, где МК - микроконтроллер со стандартной архитектурой, (состоящий из Т - таймера, АЛУ - арифметико-логическое устройство, ОЗУ и ПЗУ - оперативное и постоянное запоминающие устройства, ГТИ - генератор тактовых импульсов, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, К - компаратор, Порт1...Порт3 - двунаправленные порты), к которому подключены: ПТН - преобразователь тока в напряжение, И - индикатор, КВ - клавиатура, ИП - источник питания, ИО - исполнительный орган.

Рис. 4. Устройство токовой направленной защиты с одной входной величиной

От ТТ ЛЭП сигнал подается в ПТН, а затем в АЦП (для определения величины тока) и в компаратор (для определения момента перехода через ноль). Устройство токовой направленной защиты с одной входной величиной имеется стандартный набор перефирийных устройств, назначение и описание которых опустим.

Приведем алгоритм работы устройства (рис. 5). Алгоритм состоит из цикла проверки выхода разности фаз за уставки (фрагмент №1) и цикла проверки выхода тока за уставки с длительностью заданной выдержки (фрагмент №2). При сохранении разности фаз в заданных пределах уставок фаза внутреннего опорного генератора синхронизируется с текущей фазой во избежание накопления сдвига фазы и ложного срабатывания. При сохранении величины тока в допустимых пределах или возвращении в допустимые пределы устройство переходит в стартовое состояние.

Выводы

Таким образом, ОНМ и токовые защиты, построенные на предлагаемом принципе, реагируют на КЗ в зоне действия защиты, не срабатывают при КЗ вне зоны действия защиты и при изменении направления мощности в линии в рабочем режиме.

Рис. 5. Алгоритм работы устройства

Рецензенты:

  • Горюнов В.Н., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета, г. Омск;
  • Птицына Е.В., д.т.н., профессор кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета, г. Омск.

Работа поступила в редакцию 20.07.2012.


Библиографическая ссылка

Никитин К.И., Грисько В.В., Маруськин Д.Е. АЛГОРИТМ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ С ОДНИМ ВХОДНЫМ ТОКОВЫМ СИГНАЛОМ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9-2. – С. 398-403;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30236 (дата обращения: 26.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252