CC BY
56
УДК 621.311.001
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
© Н.Н. Солонина1, К.В. Суслов2, А.С. Смирнов3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Современная точка зрения заключается в том, что Smart Grid - это сеть, основанная на «умных технологиях», высоконадежная, самоконтролирующаяся, способная принимать энергию из любого источника и преобразовывать ее в конечный продукт без участия людей. Изменения, происходящие в сфере энергетики (ongoing change in the energy sector), требуют все большей оперативности получения и обработки информации о текущем состоянии энергосистемы. Одновременно предъявляются все большие требования к точности и достоверности измерений параметров цепи. Статья посвящена решению вопроса оперативного определения координат места токов короткого замыкания линии электропередачи. Это достигается цифровой обработкой текущей информации о токах линии и использованием пояса Роговского в качестве первичного датчика. Ил.3. Табл. 3. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: Smart Grid; надежность; пояс Роговского; системы электроснабжения.
INCREASING OPERATIONAL RELIABILITY OF AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEMS N.N. Solonina, K.V. Suslov, A.S. Smirnov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
According to the contemporary point of view Smart Grid is a network based on "smart technologies". It is highly reliable, self-monitoring, and capable of receiving the energy from any source and converting it into the final product independently (without human participation). Ongoing changes in the energy sector require higher efficiency in receiving and processing information on the current state of the power system. Simultaneously, the measurements of the circuit parameters require higher accuracy and reliability. The article discusses the problem of quick location of short-circuit coordinate position in a transmission line, which can be achieved by digital processing of current information about line currents and the use of the Rogowski coil as a primary sensor. 3 figures. 3 tables. 2 sources.
Key words: Smart Grid; reliability; Rogowski coil; electric power supply systems.
Введение. Для обеспечения требуемой надежности работы энергосистемы в настоящее время существуют различные способы. Но, несмотря на высокую надежность силового оборудования и систем управления, возможны сбои в рабо-те, например, короткие замыкания в питающих и распределительных сетях, обус-ловленные непредвиденными обстоятельствами. Сокращение времени поиска места коротких замыканий в линиях - это прямой путь повышения надежности энергосистем. Существует достаточно большое разнообразие методов опреде-ления места повреждения воздушных и кабельных линий. Кратко перечислим их.
Импульсный метод основан на измерении интервала времени между моментами подачи зондирующего импульса переменного тока и приема отраженного
импульса от места повреждения. Для измерения по методу колебательного разряда на поврежденную жилу подается напряжение, которое плавно поднимается до напряжения пробоя. Метод петли основан на измерении сопротивлений при помощи моста постоянного тока. Емкостной метод основан на измерении емкости оборванной жилы с помощью измерительных мостов. Акустический метод основан на создании в месте повреждения искрового разряда и прослушивании звуковых колебаний, возникающих над местом повреждения. Существуют также индукционный метод, метод накладной рамки и т.д. Главным недостатком этих методов с точки зрения оперативности, является то, что для их применения требуются подготовительные работы и достаточно большое время.
Основные положения подхода. Предлагаемый
1Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu
Solonina Nafisa, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel 89500846006, e-mail: otep@istu.edu
2Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu
Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu
3Смирнов Анатолий Серафимович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89027673385, e-mail: otep@istu.edu
Smirnov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89027673385, e-mail: otep@istu.edu
нами метод позволяет своевременно определять место повреждения линий электропередач в режиме online. Идея предлагаемого метода заключается в том, что, зная конфигурацию цепи и параметры линии, получаем схему замещения для расчета токов короткого замыкания в различных точках линии. В зависимости от требуемой точности выбираем определенный интервал между расчетными точками. Рассчитанные теоретические токи сравниваем с измеренными токами короткого замыкания.
Рассмотрим сначала простейший случай, когда ток короткого замыкания создается одним источником. На рис.1 представлена расчетная схема определения места повреждения линии электропередачи для рассматриваемого случая.
Токи короткого замыкания вычисляются согласно нижеприведенным формулам:
i (з)_ eg
I (2)__
I (')_-
Zg +Z(l) ;
Eg_
Zg +2Z(l) ;
Eg_
Zg+Z(l)+Z(N)
(1) (2) (3)
где - сопротивление от точки короткого замыкания до заземлителя; , , тЦ) - начальные
действующие значения токов короткого замыкания соответственно при трехфазном, двухфазном и однофазном замыканиях.
Рис. 1. Расчетная схема определения места повреждения кабеля: I - длина кабеля; I - расстояние от начала линии до точки аварийного короткого замыкания; Ев - ЭДС системы; 1в - внутреннее сопротивление системы; 1(1} - сопротивление участка линии от ее начала до точки короткого замыкания
Схема фрагмента сети, используемой для определения места короткого замыкания. Таким образом, для каждого из перечисленных случаев, зная параметры линии, можно теоретически установить зависимость токов короткого замыкания от длины
1[3С){1), 1{2'>{1), 1{1{1) и результаты необходимо
сохранить в памяти в виде таблицы._
На входе линии во всех фазах стоят первичные датчики тока. Их мгновенные значения обрабатываются и вычисляются текущие значения действующего значения тока. В момент короткого замыкания это действующее значение будет соответствовать начальному действующему значению тока короткого замыкания. По соотношению токов фаз логическая схема определяет вид короткого замыкания. Это дает возможность сравнивать реальные токи короткого замыкания с рассчитанными предварительно, и на этой основе определять координату I - начало участка, где произошло короткое замыкание.
Если одновременно произвести точное измерение напряжения в точке присоединения, то можно результат скорректировать с учетом отличия реального напряжения от расчетного.
Если измерение токов и напряжений вести в непрерывном режиме, обновляя память, то можно указанные величины зафиксировать в момент короткого замыкания, что позволит, в частности, определить место самоустраняющегося замыкания. Это важно, так как не исключен в будущем рецидив аналогичного замыкания. Найденное место необходимо обследовать и устранить причину возможного короткого замыкания.
Рассмотрим общий случай, когда на ток короткого замыкания в линии существенное влияние оказывают несколько источников: питающая система, обобщенные нагрузки, синхронные компенсаторы, мощные синхронные и асинхронные двигатели, источники распределенной генерации. Составляется полная схема замещения, на которой все активные и пассивные участки цепи представлены в виде источников ЭДС и сопротивлений в соответствии с традиционной методикой расчета токов короткого замыкания. После тождественных преобразований полной схемы получаем окончательную схему замещения, по которой производится расчет токов короткого замыкания в линии.
©
Zi
®
QS1
Zo
1 QS 2 \ QS 3 \
а
Wi
Z (l)
¥
Рис. 2. Окончательная эквивалентная схема замещения
q
2
Примечание: / - номер расчетной точки возможного короткого замыкания на интервале А/; ¡^ - расстояние от начала линии до точки короткого замыкания; п - общее число точек расчета; А/ - шаг выборки (в метрах).
Таблица 1
Пример матрицы данных для первого этапа определения места короткого замыкания_
¡1 = г • А м I3 кА 42) кА IW кА
1 ¡1 = А 1(з) I (2) Ч
2 ¡2 = 2 А I (з) 12 > (2) 2 >1
/-1 ¡1-1 =(г - 1)А 1 (з) и-1 I (2) -1
/ ¡г = г А 1 (3) г I (2) г I!
/+1 ¡1+1 =(г+1)А I (з\ г+1 I (2), г+1 11 г+1
п ¡п = п •А I (з) I (2) 1 п I (1)
На рис.2 представлен пример окончательной схемы замещения с тремя источниками. На рисунке обозначены: £"1, Е2, Е3 - источники, оказывающие существенное влияние на ток короткого замыкания линии; 21, 22, 23 - эквивалентные сопротивления участка цепи от источников до начала рассматриваемой линии; 051, 052, 053 - выключатели; 2(1) - сопротивление участка линии от начала до точки короткого замыкания, отстоящей от начала линии на расстояние /.
Количество эквивалентных источников зависит от конфигурации сети, поэтому расчеты необходимо производить для различных возможных конфигураций сети. В результате расчета для каждой конфигурации цепи при номинальном значении напряжения получаем массив значений токов для различных типов короткого замыкания при заданных значениях /. Пример массива представлен в табл. 1.
Предполагается, что в начале линии установлены первичные преобразователи тока и напряжения и ведется непрерывное измерение текущих действующих значений тока и напряжения. Указанные величины хранятся в концентраторе данных и непрерывно обновляются. Определение места повреждения линии осуществляется в два этапа: предварительный этап и окончательный.
Алгоритм предварительного определения координат места токов короткого замыкания заключается в следующем: зная токи короткого замыкания различных фаз, определяем тип короткого замыкания, а именно: если токи трех фаз примерно равны, то это трехфазное симметричное короткое замыкание, если два тока равны и существенно превышают третий ток, то это двухфазное несимметричное короткое замыкание, если ток одной из фаз существенно превышает
токи других фаз, то это однофазное короткое замыкание
Зная значение напряжения в точке «а» (рис. 2) в момент, предшествующий короткому замыканию, корректируем данные массива, предполагая, что расчетные токи линейно связаны с напряжением.
Зная тип короткого замыкания, находим из массива интервал, в границах которого лежит измеренное начальное действующее значение тока короткого замыкания.
Пусть установлено, что короткое замыкание трехфазное. Определяем интервал, удовлетворяющий следующему неравенству:
1(з) ч< I(з* < 1(з) Ч (4)
1sc(ш)< 1ис < 1яе(1-1), (4)
где 1(зс);+]у 1(зс)_}) - расчетные значения тока короткого замыкания соответственно в (г +1) и ( -1) расчетных точках; ^^ - значение тока короткого замыкания, полученное при измерении.
Мы полагаем, что 1(3* ~^ и определяем интервал от (г -1) до (г +1), то есть I = ¡г, в пределах которого произошло короткое замыкание.
Для дальнейшего уточнения места короткого замыкания уменьшаем шаг выборки на найденном интервале, определяем точные координаты места короткого замыкания и для ограниченного числа отрезков А(А ) заполняем расчетную таблицу (табл. 2).
И окончательно определяем место короткого замыкания:
^Я* Щ-1У (5)
Таблица 2
Пример матрицы данных для второго этапа определения места короткого замыкания
Ay = jA(Al) см j кА
1 Alu =A(A)
2 A2 = 2A(A) 13
j-1 Ali (j-l) = (j - 1)A(A) y 1
j Aly = JA(A) i (3)
j+1 Aj+i) = (j + 1)A(A) 1(3) ^ Il(j+1)
m Am = mA(A) I (3) im
Примечание: \ - номер точки возможного короткого замыкания на подынтервале Л{Л1); т - общее число точек расчета подынтервала; Л(Л1)- шаг выборки (в сантиметрах); Т^3* - значение тока короткого замыкания, полученное при изме-
рении.
Следовательно, 1S3* ~ l[3)j
и определяем
l = li + Ay , где Aly - интервал от точки (j-1) до (j+1)-
Применение пояса Роговского как преобразователя тока. На основании полученных таблиц составляется структурная схема рассмотренного фрагмента сети для определения координат места короткого замыкания в режиме on-line (рис. 3) на основе измерений текущих значений токов напряжений и частоты.
Блок 1 предназначен для измерения текущих действующих значений линейных напряжений в точке присоединения линии электроснабжения и текущей частоты сети основной гармоники. Эти данные поступают от первичных датчиков и непрерывно обновляются, сохраняя в памяти их значения, полученные в момент непосредственно перед коротким замыканием. Блок 2 служит для измерения начальных действующих значений токов короткого замыкания в течение первого периода после короткого замыкания, измеряются токи всех трех фаз. Блок 3 предназначен для определения типа короткого замыкания: одно-, двух- или трехфазное. Блок 4 - логическое устройство для определения конфигурации сети. Конфигурация сети изменяется выключателями, поэтому по состоянию выключателей можно определить состояние конфигурации сети на данный момент. Информация о состоянии выключателей на блок 4 поступает по каналам телемеханики. Возможно также задание конфигурации непосредственно диспетчером. Блок 5 - матрица расчетных токов линии электропередачи для конкретной конфигурации. Блок 6 - логическое устройство перво-
го этапа определения участка, в пределах которого произошло короткое замыкание. Блок 7 - логическое устройство второго этапа определения точки короткого замыкания, включает в себя матрицу расчетных токов для второго этапа определения места короткого замыкания. Блок 8 точно определяет координаты места короткого замыкания.
Рис. 3. Структурная схема определения места короткого замыкания в линии электропередачи в режиме on-line
Данный метод предполагает точное измерение токов и напряжений. Трансформаторы тока и напряжения со стальным сердечником не обеспечивают заданную точность, особенно это касается трансформаторов тока, так как при токах короткого замыкания, подлежащих измерению, их магнитопроводы работают в режиме, близком к режиму насыщения, что приводит к непредсказуемым погрешностям. Для релейной защиты это не имеет особого значения, а для решения данной измерительной задачи недопустимо. Для обеспечения линейной зависимости мы вместо трансформаторов тока предлагаем использовать пояс Роговского, который по существу является преобразователем тока в напряжение. Это представляет удобство для дальнейшего преобразования информации из аналоговой формы в цифровую. Высокая точность измерения тока обусловлена отсутствием в нем магнитного сердечника. Так как пояс Роговского не имеет ферромагнитного сердечника, то зависимость выходного сигнала (напряжения) от входной (измеряемой) величины (тока) носит линейный характер.
Известно, что напряженность магнитного поля (Л), возбуждаемого измеряемым током, и измеряемый ток (/) связаны законом полного тока:
| М! = г , (6)
L
где I - средняя линия измерительной обмотки ПР, то есть контур интегрирования.
Используем известные соотношения:
Ь = /и0Н; (7)
Ф = ЬБ = ц0ИБ , (8)
где ц0 - магнитная постоянная; 5 - площадь витка измерительной обмотки.
Умножим обе части равенства (1) на ц0 5 и продифференцируем по времени:
I е,, = (9)
d (/UohS )
e = —
dt
(10)
где е - мгновенное значение ЭДС одного витка обмотки ПР.
При выводе формулы (3) было сделано вполне реальное допущение, что векторы Л и б/ во всех точках контура интегрирования I параллельны друг другу:
Е(г) = еЖ, (11)
здесь - мгновенное значение ЭДС всей измерительной обмотки ПР, содержащей № витков.
Приняв начальную фазу измеряемого тока за ноль и используя закон электромагнитной индукции, легко получить следующее выражение:
где C =
E(t) = CaIM sin{at - 900 ) , H0SW -
(12)
L
- конструктивный параметр преоб-
разователя.
Электронным способом получим напряжение, пропорциональное мгновенному значению измеряемого тока:
U = CIm sin at, (13)
для чего произведем деление E{t) на ю и осуществим положительный сдвиг по фазе на 90°. Напряжение u1, пропорциональное току нагрузки, подадим на один вход цифрового счетчика, а на другой его вход подадим напряжение нагрузки u2 :
U2 = Um sin(a>t + ф) . (14)
Дополнительно отметим, что деление E(t) на a устраняет еще один источник погрешности, а именно -зависимость результата от частоты питающего тока.
Таким образом, использование информационных технологий и пояса Роговского позволяет в отличие от известных методов определить координаты места короткого замыкания с требуемой точностью и в режиме on-line.
Таблица 3
Состояние выключателей
i QS1 QS2 QS3
1 + + +
2 + + -
3 + - +
N + - -
Заключение
1. Предложен метод оперативного определения места повреждения линии электропередачи. Он основан на предварительном теоретическом расчете токов короткого замыкания в различных сечениях линии и на определении начальных действующих значений токов короткого замыкания. При этом используются матрицы теоретических расчетов токов короткого замыкания. Результаты измеренных значений токов коротких замыканий сравниваются с расчетными токами. Для повышения точности определения координат места короткого замыкания используется два этапа: приближенный и точный.
2. Для повышения точности измерения текущих значений токов короткого замыкания в качестве первичных преобразователей предлагается использовать пояс Роговского.
Библиографический список
1. K.V.Suslov, N.N.Solonina, A.S.Smirnov. Smart meters for 2. K.V.Suslov, N.N.Solonina, A.S.Smirnov, Smart Grid: A new distributed filtering of high harmonics in Smart Grid // III Interna- way of receiving primary information on electric power system tional Conference on Power Engineering, Energy and Electrical state// IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe Drives, Powereng 2011, Spain, Malaga 2011. 2011, Manchester, UK 2011.
