Совершенствование дистанционных защит при цифровой реализации

Page 1

Page 2

102

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Совершенствование
дистанционных защит
при цифровой реализации

Гвоздев

Первый заместитель

генерального директора —

Главный инженер

компании «Россети

Московский регион»

Грибков

директор Департамента

релейной защиты

и режимной автоматики

электрических сетей

компании «Россети

Московский регион»

Булычев

технический директор

ООО «НПП Бреслер»

Козлов

главный конструктор

ООО «НПП Бреслер»

Бычков

заведующий сектором

основных защит линий

ООО «НПП Бреслер»

ироко известны спосо-

бы и устройства дистан-

ционной защиты (ДЗ),

в которых расстояние до

места повреждения определяется

с помощью реле сопротивления по

косвенному принципу – изменению

сопротивления контура короткого за-

мыкания, вычисляемого по сигналам

трансформаторов тока и трансфор-

маторов напряжения [1]. Устройство

защиты формирует команду на отклю-

чение линии при попадании вектора

сопротивления в определенную зону

(область характеристики срабатыва-

ния) на комплексной плоскости с со-

ответствующей выдержкой времени

срабатывания.

Данный подход предполагает ста-

ционарность контролируемого режи-

ма, и потому в условиях переходных

процессов погрешность определения

удаленности замыкания значительно

возрастает.

Кроме этого, вектор измеренного

сопротивления может попадать в зону

срабатывания дистанционной защиты

при некоторых нагрузочных режимах

(например, при пуске крупного асин-

хронного электродвигателя) и при на-

личии некоторых видов переходного

сопротивления в месте повреждения.

Эти факторы снижают точность изме-

рения удаленности точки короткого за-

мыкания и, следовательно, снижают

степень селективности защиты.

В период активного применения

в релейной защите аналоговой вы-

числительной техники разработаны

более совершенные методы и сред-

ства построения дистанционных за-

щит. Предложены способы реализа-

ции дистанционных защит на основе

динамического контроля параметров,

при котором оценка удаленности

точки короткого замыкания осущест-

вляется по непосредственным пара-

метрам контролируемой линии элек-

тропередачи: индуктивности, емкости

и активному сопротивлению [2]. Эти

параметры достаточно строго харак-

теризуют свойства контролируемой

линии в условиях переходных процес-

сов, что обеспечивает более высокую

точность оценки удаленности точки

короткого замыкания. При этом опре-

деляют зону защищаемой сети, в ко-

торой находится точка короткого за-

мыкания, по индуктивности, емкости

и активному сопротивлению в реаль-

ном (текущем) времени и формируют

сигнал на отключение поврежденной

линии с выдержкой времени, соответ-

ствующей удаленности точки коротко-

го замыкания от места установки за-

щиты.

Однако при аналоговой реализации

процесс короткого замыкания анали-

зируется только в текущем времени,

и нет возможности выполнить повтор-

ные (итерационные) вычисления уда-

ленности точки короткого замыкания,

которые позволили бы повысить точ-

ность измерений.

Важнейшей особенностью цифро-

вой техники является способность за-

поминать сигналы и воспроизводить их

в последующем. Применение цифро-

вой техники целесообразно для улуч-

шения свойств релейной защиты.

В этой связи, в рамках договора

на выполнение научно-исследова-

тельской и опытно-конструкторской

работы (НИОКР) между ООО «НПП

Бреслер» и ПАО «Россети Московский

регион» разработана новая, более со-

вершенная дистанционная защита.

Улучшение основных характеристик

защиты достигнуто за счет реализа-

ции на цифровой элементной базе пу-

тем регистрации процесса короткого

замыкания и итерационного косвен-

ного измерения удаленности точки ко-

роткого замыкания с помощью более

точной модели контролируемой защи-

той линии.

По токам и напряжениям, соответ-

ствующим аварийному и нормальному

(доаварийному) режимам, вычисляют

аварийные составляющие, которые,

Page 3

103

ТТ

Блок

сравнения

Блок

управления

выключателем

моделирования

КЗ в точке К

Блок

моделирования

КЗ в точке К

Блок

регистрации

ТН

Отсчет

ВВС

Дистанционный

орган

Датчик

тока

Датчик

напряжения

Рис

. 1.

Структурная

схема

дистанционной

защиты

согласно принципу наложения

[3], определяются, главным

образом, видом и местом по-

вреждения. Их использование

позволяет отстроиться от вли-

яния нагрузочного режима при

расчете места повреждения.

На основе аварийных со-

ставляющих с помощью двух

моделей защищаемой линии

электропередачи определяют

реактивные мощности пред-

полагаемых (расчетных) цепей

короткого замыкания при по-

вреждении в начале и в кон-

це защищаемой линии соот-

ветственно. Предположив, что

сопротивление в месте по-

вреждения имеет активный

(резистивный) характер, счи-

тают повреждение внутренним

(на защищаемой линии), когда

знаки двух полученных значе-

ний реактивной мощности раз-

личны.

На рисунке 1 показана структурная схема дистан-

ционной защиты применительно к цифровой реали-

зации.

Сигналы от датчиков тока и напряжения посту-

пают в блок регистрации, который осуществляет

непрерывную запись и хранение измеренных зна-

чений. При возникновении короткого замыкания

в произвольной точке К линии электропередачи

данный блок выявляет начало переходного про-

цесса и на основании имеющейся информации об

измеренных величинах формирует два набора зна-

чений токов и напряжений, которые соответствуют

предшествующему (доаварийному) [

] и теку-

щему [

] режимам работы сети. По ним вычис-

ляются аварийные составляющие токов и напря-

жений:

–

;

(1)

–

(2)

Здесь же определяется вид повреждения.

Полученные наборы токов и напряжений посту-

пают на входы блоков моделирования короткого

замыкания. Они осуществляют математический пе-

ресчет наблюдаемых величин в ток ветви повреж-

дения (

) и напряжение в точке повреждения (

исходя из предположения, что короткое замыкание,

тип которого соответствует тому, что было опреде-

лено блоком регистрации, возникло в начале (точка

) и конце (точка К

) зоны последней ступени ДЗ

соответственно. По ним рассчитывают реактивные

мощности ветвей повреждения в точках К

и К

. При

этом каждому виду замыкания соответствует свое

расчетное выражение, которое в случае трехфаз-

ного замыкания будет иметь следующий вид:

(

(3)

Знаки полученных значений реактивной мощ-

ности сопоставляются в блоке сравнения и, в слу-

чае их отличия, величины

преобразуют-

ся, согласно диаграмме, изображенной на рисун-

ке 2, в координату повреждения по следующей

формуле:

/ (

–

(4)

где

— длина защищаемой зоны, км.

Полученная координата дистанционным орга-

ном сравнивается с длинами зон отдельных сту-

пеней, и в зависимости от результата сравнения

формируется сигнал срабатывания конкретной

ступени, а блок отсчета выдержки времени вносит

соответствующую задержку на выдачу команды от-

ключения на блок управления выключателем.

Кроме этого, полученная координата места по-

вреждения (удаленность точки короткого замыкания)

отображается на экране устройства, что позволяет

быстро и эффективно организовать ремонтно-вос-

становительные работы.

В качестве примера можно рассмотреть схему,

изображенную на рисунке 3. На ней показаны дис-

танционные защиты линий 1 и 2 и зоны срабатыва-

ния их ступеней.

Рис

. 2.

Диаграмма

реактивной

мощности

, км

, ВАр

№

6 (63) 2020

Page 4

104

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Рис

. 3.

Схема

защищаемой

сети

(

пример

)

Рис

. 4.

Схема

диаграмма

работы

защит

при

замыкании

на

линии

Рис

. 5.

Схема

диаграмма

работы

защит

при

замыкании

на

линии

Рис

. 6.

Логическая

схема

действия

дистанционной

защиты

С1

С2

ПС А

ПС Б

ПС В

Линия 1

50 км

1ст

2ст

1ст

2ст

Линия 2

35 км

3ст

С1

С2

ПС А

ПС Б

ПС В

Линия 1

50 км

Линия 2

35 км

1ст

2ст

1ст

2ст

30 км

-20 км

С1

С2

ПС А

ПС Б

ПС В

Линия 1

50 км

Линия 2

35 км

1ст

2ст

1ст

2ст

10 км

60 км

Тср_2ст

ВВС

Срабатывание ДЗ

Вывод защиты

Тср_3ст

ВВС

ИО

≤

1ст

ИО

1ст

≤

2 ст

ИО

2ст

≤

3 ст

Первая ступень ДЗ

Вторая ступень ДЗ

Третья ступень ДЗ

РПО

Тв_ускор

ВВВ

Ускорение ДЗ

При замыкании на расстоя-

нии 30 км от ПС А (рисунок 4)

дистанционная защита ли-

нии 1 в ходе описанных выше

расчетов получит координату

повреждения

, равную 30 км.

При сравнении с зонами сту-

пеней будет выполняться

условие:

0 <

1ст

и вызовет срабатывание пер-

вой ступени без выдержки

времени.

Координата повреждения

, рассчитанная защитой ли-

нии 2 при этом же поврежде-

нии, будет равна –20 км, что

является признаком внешнего

КЗ, поэтому защита 2 не сра-

ботает.

При замыкании на расстоя-

нии 10 км от ПС Б (рисунок 5)

координата повреждения за-

щиты линии 1 будет равна

60 км. Это расстояние соот-

ветствует условию срабаты-

вания второй ступени:

1ст

2ст

В результате защита линии 1 сформирует коман-

ду на отключение своей линии с выдержкой време-

ни, соответствующей второй ступени защиты.

Координата повреждения

, рассчитанная защи-

той линии 2, равна 10 км. При этом выполняется ус-

ловие срабатывания первой ступени защиты 2:

0 <

1ст

и дистанционная защита линии 2 сработает без вы-

держки времени.

Условие срабатывания третьей ступени защиты

линии 1 можно записать так:

2ст

3ст

При выполнении этого условия защита срабаты-

вает с выдержкой времени, соответствующей 3 сту-

пени.

Формально логика действия дистанционной за-

щиты представлена в виде схемы на рисунке 6.

Сигналы срабатывания той или иной ступени

формируются измерительными органами, контро-

лирующими попадание координаты повреждения

в соответствующую зону:

– логический сигнал срабатывания первой ступени

«Первая ступень ДЗ» при выполнении условия

0 ≤

≤

1ст

;

Page 5

105

– логический сигнал срабатывания второй ступени

«Вторая ступень ДЗ» при выполнении условия

1ст

≤

2ст

;

– логический сигнал срабатывания третьей ступени

«Третья ступень ДЗ» при выполнении условия

2ст

≤

3ст

При этом вторая ступень ДЗ срабатывает через

время, определяемое таймером «Тср_2ст», а тре-

тья — таймером «Тср_3ст».

При срабатывании любой из ступеней формиру-

ется логический сигнал «Срабатывание ДЗ», дей-

ствующий на отключение линии. Защита блокиру-

ется при появлении логического сигнала «Вывод

защиты».

Также реализовано автоматическое ускоре-

ние (АУ) второй ступени при опробовании линии.

Режим АУ вводится на время, определяемое вы-

держкой времени «Тв_ускор», по факту исчезно-

вения внешнего сигнала «РПО» от блок-контактов

выключателя.

Выбор параметров срабатывания дистанционной

защиты выполняется с учетом особенностей защи-

щаемой сети и реализации защиты.

Эквивалентное удельное сопротивление прямой

последовательности, используемое в модели линии

электропередачи, определяется следующим образом:

1экв



= 1

(

) /



= 1

(5)

где

— количество участков однородности;

—

длина

-го участка однородности, км;

— удель-

ное сопротивление прямой последовательности

-го

участка однородности, Ом/км.

Под участком однородности понимается отрезок

ЛЭП, на протяжении которого удельное сопротивле-

ние не изменяется. При определении

1экв

должны

учитываться все участки защищаемой и следующей

линий электропередачи, в том числе и ответвления

от этих ЛЭП.

Удельное сопротивление, используемое в модели

ЛЭП, задается своими активной

и реактивной

составляющими, которые вычисляются следующим

образом:

(

1экв

);

(6)

(

1экв

(7)

Точность определения места повреждения на ли-

нии определяется двумя основными факторами:

– разнородность линии электропередачи;

– свойства ответвительных подстанций.

Разнородность линии электропередачи выра-

жается в неравенстве активных и индуктивных со-

ставляющих удельных сопротивлений отдельных

участков. Она наиболее существенно оказывает

влияние на точности ОМП в случае кабельно-воз-

душных линий.

Абсолютную погрешность, вызванную разнород-

ностью линии, при вычислении расстояния до места

повреждения за

-м участком можно оценить следу-

ющим образом:



= |



= 1

(

1экв

| –



= 1

(8)

По формуле (8) необходимо рассчитать две

ошибки: при повреждении в конце защищаемой ли-

нии



и в конце первой зоны защиты следующей

ЛЭП



сл

. Последняя необязательна в случае тупи-

ковой ЛЭП.

Составляющая ошибки ОМП



и коэффициент

отстройки при вычислении зоны первой ступени

отс1н

, определяемые неоднородностью линии, будут

вычисляться следующим образом:



= –



/ 2;

(9)

отс1н

= 1 –



(10)

где

— длина защищаемой линии, км.

Коэффициент отстройки при вычислении зоны

второй ступени, определяемый неоднородностью

линии и используемый в случае ЛЭП с двухсторон-

ним питанием, будет вычисляться следующим об-

разом:

отс2н

= 1 – (



–



сл

) / (

1ст сл

(11)

где

1ст сл

— зона срабатывания первой ступени за-

щиты следующей линии, км.

Ошибка, вызванная неучетом в модели ответви-

тельных подстанций, должна определяться по кри-

вой относительной погрешности ОМП, зависящей от

суммарной мощности отпаек. На рисунке 7 представ-

лены зависимости



(



отв

), построенные для разных

длин ЛЭП.

Рис

. 7.

Кривые

относительной

погрешности

ОМП

0,5

1,5

2,5

-30

-25

-20

-15

-10

-5

отв

, МВА

, %

1: 5 км
2: 10 км
3: 15 км
4: 20 км
5: 25 км
6: 30 км
7: 35 км
8: 40 км

№

6 (63) 2020

Page 6

106

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

В качестве длины, по которой выбирается кривая,

следует выбирать длину защищаемой ЛЭП, если она

является тупиковой:

кр

(12)

или сумму длин защищаемой и следующей линий

в противном случае:

кр

сл

(13)

где

сл

— длина следующей линии, км.

Далее, просуммировав мощности всех ответвле-

ний в пределах выбранной длины

кр

, необходимо по

кривой найти значение относительной погрешности

ОМП



и вычислить по ней ошибку ОМП



и коэф-

фициент отстройки при вычислении зон ступеней

отс о

, определяемые неучетом ответвлений, по сле-

дующим формулам:



= –(



кр

) / (2 · 100);

(14)

отс о

= 1 +



/ (2 · 100).

(15)

Результат определения места повреждения дол-

жен корректироваться на величину, равную сумме

двух составляющих:



(16)

Коэффициент отстройки, используемый при вы-

числении зоны срабатывания первой ступени защи-

ты, определяется следующим образом:

отс1

отс1н

отс о

(17)

Для второй ступени:

отс2

отс2н

отс о

(18)

Если полученное значение больше 0,95, то коэф-

фициент приравнивается 0,95.

Первая ступень осуществляет защиту без вы-

держки времени большей части ЛЭП. Ее зона сраба-

тывания отстраивается от длины защищаемой линии

следующим образом:

1ст

отс1

(19)

Отстройка от замыканий за ответвительными

подстанциями выполняется за счет того, что рассто-

яние до места повреждения, рассчитанное метода-

ми ОМП, при КЗ за трансформатором оказывается

за пределами зоны срабатывания первой ступени

защиты. Однако в случае, когда длина ответвления

соразмерна с длиной защищаемой ЛЭП, а на самой

ответвительной подстанции имеется мощный транс-

форматор, могут возникнуть трудности с обеспече-

нием селективной работы ДЗ.

Для того чтобы проверить, обеспечивается ли

отстройка от замыканий за

-м ответвлением, не-

обходимо вычислить эквивалентное расстояние до

стороны НН трансформатора по следующей фор-

муле:

экв

отв

фикт

+ |

1экв

|, (20)

где

отв

— расстояние от места установ-

ки защиты до подстанции

-го ответвления, км;

— расстояние от места установки защиты до

-го

ответвления, км;

— длина

-го ответвления, км;

фикт

= |

1экв

| — фиктивная длина трансфор-

матора

-го ответвления, км;

— сопротивление

трансформатора

-го ответвления, Ом.

Если для

-го ответвления выполняется условие:

экв

≥ 1,2 ·

(21)

то защита надежно отстроена от замыканий за ней.

Если для каких-то ответвлений условие (21) не

выполняется, то первая ступень должна быть от-

строена от минимального расстояния до подстанций

этих ответвлений:

1ст

отс1

min

(

отв

(22)

Для тупиковых линий в качестве длины защищае-

мой ЛЭП следует брать максимальное из всех полу-

чившихся значений

отв

max

(

отв

(23)

Вторая ступень предназначена для защиты всей

линии. Для линий с двухсторонним питанием зона

срабатывания второй ступени выбирается, исходя

из условия согласования с первой ступенью защиты

следующей ЛЭП:

2ст

отс2

1ст сл

(24)

а для тупиковых линий принимается равной длине

защищаемой ЛЭП:

2ст

(25)

Третья ступень осуществляет резервирование за-

щиты следующей линии и используется на линиях

с двухсторонним питанием, поэтому ее зона сраба-

тывания принимается равной сумме длин защищае-

мой и следующей линий с учетом возможного удли-

нения, обусловленного погрешностью ОМП из-за

дополнительной подпитки со стороны ответвлений:

3ст

удл

· (

сл

(26)

где

сл

— длина следующей линии, км;

удл

= 1,0÷1,1 —

коэффициент удлинения, о.е.

На линиях с односторонним и двухсторонним пи-

танием коэффициент удлинения следует принимать

равным 1.

В случае тупиковых линий зона третьей ступени

берется равной зоне второй:

3ст

2ст

(27)

Первая ступень выполняется без выдержки вре-

мени, однако из-за того, что величины аварийного

режима фиксируются только по факту завершения

переходного процесса и необходимо время для об-

работки данных, сигнал на срабатывание формиру-

ется через 30÷50 мс после возникновения аварии.

В случае линии с двухсторонним питанием вы-

держка времени второй ступени должна быть согла-

сована с первой ступенью защиты следующей линии

(с которой производится согласование), с учетом вы-

держек времени устройства резервирования при от-

казе выключателей:

2ст

УРОВ



(28)

Page 7

107

где

УРОВ

— время действия УРОВ следующей линии,

мс;



= 300÷500 — ступень селективности, мс.

Вторая ступень на тупиковых линиях согласуется

с защитами трансформаторов ответвительных под-

станций:

2ст



(29)

Выдержка времени третьей ступени должна быть

согласована со второй ступенью защиты следующей

линии:

3ст

2ст сл



(30)

где

2ст сл

— выдержка времени второй ступени сле-

дующей линии, мс.

Выдержка времени третьей ступени, устанавли-

ваемой на тупиковых линиях, принимается равной

максимально возможному значению, что означает

фактический вывод из работы данной ступени.

При автоматическом ускорении вторая ступень

вводится в работу на время опробования линии,

и оно должно быть меньше времени включения ли-

нии с противоположной стороны при успешном АПВ.

Рекомендуемое значение времени ввода автомати-

ческого ускорения 0,1 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана дистанционная защита с улучшенными

показателями по точности и селективности, ре-

ализуемая с использованием своеобразия циф-

ровой элементной базы, и совместимая с циф-

ровыми системами управления подстанциями

и сетями. В основу построения защиты положены

методы определения места повреждения на ли-

ниях электропередачи. Это позволило повысить

точность измерения удаленности точки короткого

замыкания, снизить трудоемкость выбора пара-

метров срабатывания, повысить эффективность

ремонтно-восстановительных работ и тем самым

повысить надежность электроснабжения.

2. Создан опытный образец разработанной дис-

танционной защиты. Проведены лабораторные

и заводские испытания. Результаты проведенных

экспериментальных исследований позволили

подтвердить правомерность методов построения

защиты, допущений и ограничений, принятых при

разработке защиты.

3. Разработана и апробирована методика выбора

параметров срабатывания вновь разработанной

дистанционной защиты, учитывающая особен-

ности цифровой технологии определения удален-

ности места короткого замыкания. Учтены все ос-

новные ограничения и допущения, позволяющие

обеспечить селективную работу защиты в реаль-

ных распределительных сетях.

ЛИТЕРАТУРА
1. Чернобровов Н.В. Релейная защита. М.: Энергия, 1974.

680 с.

2. Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах

вычислительной техники. Л.: Энергоатомиздат, 1991.

336 с.

3. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В.

Основы теории цепей: Учеб. для вузов. 5-е изд., пере-

раб. М.: Энергоатомиздат, 1989. 528 с.

№

6 (63) 2020

Оригинал статьи: Совершенствование дистанционных защит при цифровой реализации

Читать онлайн

Широко известны способы и устройства дистанционной защиты (ДЗ), в которых расстояние до места повреждения определяется с помощью реле сопротивления по косвенному принципу – изменению сопротивления контура короткого замыкания, вычисляемого по сигналам трансформаторов тока и трансформаторов напряжения [1]. Устройство защиты формирует команду на отключение линии при попадании вектора сопротивления в определенную зону (область характеристики срабатывания) на комплексной плоскости с соответствующей выдержкой времени срабатывания.