Научная статья на тему 'ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В ПРОГРАММЕ MATLAB SIMULINK'

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В ПРОГРАММЕ MATLAB SIMULINK Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
470
125
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА (РЗА) / СИЛОВОЙ ТРАНСФОРМАТОР / МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА (МТЗ) / ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ / КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Семина Ирина Александровна, Андреева Елена Григорьевна

Актуальность Рассматриваются проблемы моделирования в программе Matllab Simulink схемы максимальной токовой защиты (МТЗ) силового трансформатора напряжением 110 кВ при трехфазном коротком замыкании на стороне низкого напряжения 6 кВ с возможностью просмотра результатов моделирования на стороне высокого напряжения 110 кВ. Решены следующие задачи моделирования: составлена имитационная модель схемы МТЗ силового трансформатора; субсистема, позволяющая моделировать короткое замыкание силового трансформатора на стороне напряжения 6 кВ при регулируемых уставках по току и времени. Цель исследования Имитационное моделирование проведено по техническому заданию для конфигурирования МТЗ силового трансформатора 110 кВ компании ООО «ПромАльянс», г. Ростов-на-Дону. Методы исследования Моделирование релейной защиты силового трансформатора напряжением 110/6 кВ осуществляется в программной среде Matlab Simulink, позволяющей моделировать процессы короткого замыкания в режиме реального времени. Результаты Получены графики зависимости тока срабатывания защиты (I, А) от времени срабатывания (tср, с). Полученные результаты моделирования внедрены в производство.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Семина Ирина Александровна, Андреева Елена Григорьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SIMULATION OF OVERCURRENT PROTECTION OF POWER TRANSFORMER IN MATLAB SIMULINK SOFTWARE

Relevance The problems of simulation in the Matllab Simulink program of the overcurrent protection circuit of a 110 kV power transformer with a three-phase short circuit on the low voltage side of 6 kV with the ability to view the simulation results on the high voltage side of 110 kV are considered. The following modeling tasks have been solved: a simulation model of the power transformer circuit has been compiled; a subsystem that allows simulating a short circuit of a power transformer on the voltage side of 6 kV with adjustable current and time settings. The aim of research Simulation modeling was carried out according to the terms of reference for configuring of a 110 kV power transformer, PromAlliance LLC, Rostov-on-Don. Research methods Modeling of relay protection of a power transformer with a voltage of 110/6 kV is carried out in the Matlab Simulink software environment, which makes it possible to simulate short circuit processes in real time. Results The graphs of the dependence of the protection operation current on the operation time were obtained. The obtained simulation results were introduced into production. Keywords: relay protection and automation (RPA), power transformer, overcurrent protection, simulation model, short circuit.

Текст научной работы на тему «ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В ПРОГРАММЕ MATLAB SIMULINK»

Семина И. А. Semina I. A.

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрическая техника», ФГБОУВО «Омский государственный технический университет», г. Омск, Российская Федерация

Андреева Е. Г. Andreeva E. G.

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электрическая техника», ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет», г. Омск, Российская Федерация

УДК 621.316.9:004.94 DOI: 10.17122/1999-5458-2021-17-1-27-32

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В ПРОГРАММЕ MATLAB SIMULINK

Актуальность

Рассматриваются проблемы моделирования в программе Matllab Simulink схемы максимальной токовой защиты (МТЗ) силового трансформатора напряжением 110 кВ при трехфазном коротком замыкании на стороне низкого напряжения 6 кВ с возможностью просмотра результатов моделирования на стороне высокого напряжения 110 кВ. Решены следующие задачи моделирования: составлена имитационная модель схемы МТЗ силового трансформатора; субсистема, позволяющая моделировать короткое замыкание силового трансформатора на стороне напряжения 6 кВ при регулируемых уставках по току и времени.

Цель исследования

Имитационное моделирование проведено по техническому заданию для конфигурирования МТЗ силового трансформатора 110 кВ компании ООО «ПромАльянс», г. Ростов-на-Дону.

Методы исследования

Моделирование релейной защиты силового трансформатора напряжением 110/6 кВ осуществляется в программной среде Matlab Simulink, позволяющей моделировать процессы короткого замыкания в режиме реального времени.

Результаты

Получены графики зависимости тока срабатывания защиты (I, А) от времени срабатывания Оср, с). Полученные результаты моделирования внедрены в производство.

Ключевые слова: релейная защита и автоматика (РЗА), силовой трансформатор, максимальная токовая защита (МТЗ), имитационная модель, короткое замыкание.

SIMULATION OF OVERCURRENT PROTECTION OF POWER TRANSFORMER IN MATLAB SIMULINK SOFTWARE

Relevance

The problems of simulation in the Matllab Simulink program of the overcurrent protection circuit of a 110 kV power transformer with a three-phase short circuit on the low voltage side of 6 kV with the ability to view the simulation results on the high voltage side of 110 kV are considered. The following modeling tasks have been solved: a simulation model of the power transformer circuit has been compiled; a subsystem that allows simulating a short circuit of a power transformer on the voltage side of 6 kV with adjustable current and time settings.

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 17, 2021

Electrical facilmes and systems

The aim of research

Simulation modeling was carried out according to the terms of reference for configuring of a 110 kV power transformer, PromAlliance LLC, Rostov-on-Don.

Research methods

Modeling of relay protection of a power transformer with a voltage of 110/6 kV is carried out in the Matlab Simulink software environment, which makes it possible to simulate short circuit processes in real time.

Results

The graphs of the dependence of the protection operation current on the operation time were obtained. The obtained simulation results were introduced into production.

Keywords: relay protection and automation (RPA), power transformer, overcurrent protection, simulation model, short circuit.

Цифровые устройства РЗА получили широкое распространение для защиты электроустановок предприятий от коротких замыканий. В качестве цифровых устройств в настоящее время используют микропроцессорные терминалы. Микропроцессорные терминалы, шкафы и комплекты защит выпускаются как зарубежными, так и российскими предприятиями [1-3].

Имитационное моделирование проведено по техническому заданию для конфигурирования максимальной токовой защиты (МТЗ) силового трансформатора 110 кВ компании ООО «ПромАльянс» г. Ростов-на-Дону. Моделирование релейной защиты силового трансформатора напряжением 110/6 кВ осуществляется в программной среде Ма^аЬ Simulink, позволяющей моделировать процессы короткого замыкания в режиме реального времени [1-4].

Моделирование схемы релейной

защиты в программе Matlab Simulink

На рисунке 1 приведен блок задания параметров источника питания. Этот блок имитирует трехфазный источник напряжения с нулевым выводом. В данном блоке задаются параметры фазного напряжения со значением амплитуды 110 кВ и частотой сети 50 Гц [1-3].

Параметрами блока являются:

- Phase-to-phase voltage (Vrms) (действующее значение линейного напряжения (В)),

- Phase angle of phase A (degrees) (начальное значение напряжения в фазе А (град)),

- Frequency (Hz) (частота (Гц)).

Разработана имитационная модель схемы

защиты с силовым трехфазным трансформатором (рисунок 2). Имитационная модель состоит из следующих основных элементов: источник напряжения, силовой трансформатор,

Block Parameters : ТоёхЛазный источник напряжения

Three-Phase Programmable Voltage Source (mask) (link)

This block implements a three-phase zero-impedance voltage source. The common node (neutral) of the three sources is accessible via input 1 (N) of the block. Time variation for the amplitude, phase and frequency af the fundamental can be pre-programmed. In addition, two harmonics can be superimposed on the fundamental.

Note: For "Fhasor simulation" , frequency variation and harmonic injection are not allowed Specify Order =1 and 5eq = l,2 or 0 to inject additional fundamendal components A and 8 in any sequence.

Parameters Load Flow

Positive-sequence: I AmplitudelVtms Ph-Ph) Phaseldeg.) Freq. I Hz) 1

Е110еЭ 0 50 j

Time variation of: None

Fundamental and/or Harmonic generation

OK

Cancel

Help

Apply

Рисунок 1. Блок параметров источника питания Figure 1. Power supply parameters block

Рисунок 2. Имитационная модель МТЗ силового трансформатора в Matlab Simulink Figure 2. Simulation model of power transformer overcurrent protection in Matlab Simulink

выключатель, блок МТЗ, блок ввода значения уставки, блок линии электропередачи (ЛЭП), блок нагрузки, блок имитатора короткого замыкания, измерительные приборы [4-6].

В нормальном режиме система (рисунок 2) работает на трехфазную нагрузку. Питание силового трансформатора осуществляется от трехфазного источника напряжения по линии электропередачи напряжением 110 кВ (блок Three Phase Series RLC Branch W1, рисунок 2). Заданная уставка по току (Uust, рисунок 2) составляет 390 А. Измеритель тока (блок Current Measurement, рисунок 2) фиксирует сигнал тока в онлайн режиме с выключателя Q1 и ЛЭП W1. Начиная с момента времени 0,3 с, происходит имитация трехфазного короткого замыкания с помощью блока Имитатор КЗ (рисунок 2). Далее через время t = 2,4 с, равное времени уставки,

срабатывает блок МТЗ ВН и происходит отключение выключателя Q1.

Субсистема, моделирующая МТЗ силового трансформатора 110 кВ, показана на рисунке 3.

Блок Atomic Subsystem работает на сравнение двух сигналов тока. Уставка МТЗ по току и ток в трансформаторе сравниваются в режиме реального времени в блоке Relational Operator. Если ток трансформатора в текущее время превышает уставку Ust, то сигнал тока с блока Relational Operator поступает в блок Atomic Subsystem, где происходит сравнение тока МТЗ с константой Constant 2. Через заданное время, равное 2,4 с (блок Уставка по времени, рисунок 3), сигнал тока с блока Atomic Subsystem поступает на вход выключателя Q1, после чего ток становится равным нулю, и происходит отключение трансформатора.

Œ>

Meas

GO

Ust

* > _ ► -

Relational Operator

1

Constant2

1

In 1

Out1

t

w 2.4 s

Atomic Subsystem Уставка, время

Рисунок 3. Модель максимальной токовой защиты трансформатора Figure 3. Model of transformer overcurrent protection

>QD

off

- 29

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 17, 2021

Electrical facilities and systems

Результаты моделирования работы максимальной токовой защиты силового трехфазного трансформатора при трехфазном коротком замыкании представлены ниже,

на рисунках 4 (сторона высокого напряжения 110 кВ) и 5 (сторона низкого напряжения 6 кВ).

Рисунок 4. Изменение тока трехфазной системы по фазам А, В, С со стороны высокого напряжения Figure 4. Change in the current of a three-phase system in phases A, B, C from the high voltage side

На графиках представлены зависимости тока по фазам А, В, С I срабатывания МТЗ от времени (1) срабатывания релейной защиты. Время начала процесса короткого замыкания устанавливается вручную в диапазоне от 0 до 0,3 с. Так, трехфазное короткое замыкание в трансформаторе начинается с заданного в имитационной модели момента времени 0,3 с, ток снижается до нуля, и релейная защита отключает выключатель Q1 через заданное время — 2,0 с, равное времени

уставки МТЗ, что обеспечивает защиту трансформатора от короткого замыкания. Завершение процесса короткого замыкания отмечено на графике временем 2,4 с. При этом на стороне высокого напряжения трансформатора ток срабатывания МТЗ изменяется в диапазоне от минус 540 А до плюс 540 А (рисунок 4), а на стороне низкого напряжения трансформатора ток срабатывания МТЗ изменяется в диапазоне от минус 0,8 х 104А до плюс 0,8 х 104 А (рисунок 5).

Рисунок 5. Изменение тока трехфазной системы по фазам А,В,С со стороны низкого напряжения Figure 5. Change in the current of a three-phase system in phases A, B, C from the low voltage side

Выводы

Проведено моделирование в программе Matllab Simulink схемы максимальной токовой защиты силового трансформатора напряжением 110 кВ при трехфазном коротком замыкании на сторонах высокого (110 кВ) и низкого (6 кВ) напряжений.

Данная схема релейной защиты является универсальной, так как с ее помощью можно провести имитационное моделирование МТЗ силового трансформатора с задаваемыми параметрами и получить результаты моделирования, произвольно изменяя различные уставки срабатывания защиты по току и по времени.

Приведенная имитационная модель позволяет моделировать трехфазные короткие

замыкания, а также МТЗ силового трансформатора, работающего под нагрузкой. Через заданное время 2,0 с, равное времени уставки, защита отключает выключатель Q1, тем самым обесточив объект защиты — силовой трансформатор. Имитационная модель МТЗ силового трансформатора внедрена в производство.

В результате моделирования, при заданных уставках по току и времени, получены графики зависимости тока срабатывания МТЗ от времени срабатывания релейной защиты в опНпе-режиме, которые показывают корректность работы модели максимальной токовой защиты силового трансформатора.

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 17, 2021

ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS

Список литературы

1. Грунин В.К., Рысев П.В., План-ков А.А. и др. Силовое электрооборудование городских распределительных сетей: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 154 с.

2. Концепция развития релейной защиты и автоматики электросетевого комплекса: приложение № 1 к протоколу Правления ОАО «Россети» от 22 июня 2015 г. № 356пр. М., 2015. URL: http://www.rosseti. ru/investment/science/tech/doc/vipiska_prilog-enie.pdf (дата обращения: 23.01.2021).

3. Киреева Э.А., Цырук С.А. Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем: учеб. для студ. учреждений сред. проф. образования. М.: Академия, 2016. 287 с.

4. ISA: Setting the Standard for Automation. URL: https://www.isa.org (дата обращения: 15.11.2020).

5. Техническое консультирование. МЭК-61850. URL: http://cons-systems. ru/m-k-61850 (дата обращения: 20.12.2020).

References

1. Grunin V.K., Rysev P.V., Plankov A.A. e.a. Silovoe elektrooborudovanie gorodskikh raspredelitel'nykh setei: ucheb. posobie [Power Electrical Equipment of Urban Distribution

Networks: Textbook]. Omsk, Izd-vo OmGTU, 2014. 154 p. [in Russian].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Kontseptsiya razvitiya releinoi zashchity i avtomatiki elektrosetevogo kompleksa: prilo-zhenie № 1 kprotokolu Pravleniya OAO «Rosseti» ot 22 iyunya 2015 g. № 356pr. [Concept for the Development of Relay Protection and Automation of the Power Grid Complex: Appendix No. 1 to the Protocol of the Management Board of JSC Russian Grids dd. June 22, 2015 No. 356pr.]. Moscow, 2015. URL: http://www. rosseti.ru/investment/science/tech/doc/vipiska_ prilogenie.pdf (accessed 23.01.2021). [in Russian].

3. Kireeva E.A., Tsyruk S.A. Releinaya zashchita i avtomatika elektroenergeticheskikh sistem: ucheb. dlya stud. uchrezhdenii sred. prof. obrazovaniya [Relay Protection and Automation of Electric Power Systems: Text-book for Stud. Institutions of Secondary Prof. Education]. Moscow, Akademiya Publ., 2016. 287 p. [in Russian].

4. ISA: Setting the Standardfor Automation. URL: https://www.isa.org (accessed 15.11.2020).

5. Tekhnicheskoe konsul'tirovanie. MEK-61850. [Technical Consulting. IEC-61850]. URL: http://cons-systems.ru/m-k-61850 (accessed 20.12.2020). [in Russian].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.