CC BY
22
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shakursky Maxim Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vigorsilenti-um@,mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kireev Kirill Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, cir-cir@,lenta.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.316.925.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-358-372
ПОВЫШЕНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ФИДЕРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
М.В. Востриков, А.В. Данеев, К.В. Менакер, В.Н. Сизых
Алгоритмы современных микропроцессорных устройств железнодорожной релейной защиты основаны на алгоритмах их релейных предшественников. Релейные устройства того времени имели технические ограничения по реализации защитных функций, функций визуализации, контроля и диагностики. Современные аппаратные и программные средства позволяют в значительной мере расширить функционал микропроцессорных устройств релейной защиты. В данной статье, с целью повышения селективности железнодорожных микропроцессорных устройств релейной защиты, предложена частичная модернизация их алгоритмов работы на основе прогнозирования анализируемых сигналов тока и напряжения на фидерах контактной сети, а также использование дополнительных систем визуализации и программных средств.
Ключевые слова: микропроцессорное устройство релейной защиты, унифицированный шаблон, график исполненного движения, хеш-код, направленная дистанционная защита, устройство фазовой автоподстройки частоты, методика прогнозирования, сплайны, алгоритм, осциллограмма.
В настоящее время на Забайкальской железной дороге среди микропроцессорных устройств релейной защиты фидеров контактной и тяговой сети нашли применение устройства нескольких фирм-производителей, среди которых следует отметить устройство цифровой защиты и автоматики фидера контактной и тяговой сети ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС) [1, 2] и БМРЗ-ФКС(ФТС) [3]. Алгоритмы работы указанных микропроцессорных устройств релейной защиты во многом схожи и имеют условное разделение на ступени, которые получили развитие еще в период применения устройств на релейной основе. Возможности микропроцессорных систем позволяют значительно расширить функционал современных устройств релейной защиты, особенно при условии комплексного подхода к их автоматизации.
Основная часть. Одной из основных функций современных микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ) является токовая отсечка по действующему и мгновенному значениям тока. Токовая отсечка формально не является ступенью МУРЗ и является двойной защитой с мгновенным действием на отключение по действующему и амплитудному значениям первой гармонической составляющей тока [1, 2].
358
Алгоритм токовой отсечки устройства ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС) представлен на рис. 1. Токовая отсечка (ТО) является защитой с мгновенным действием на отключение по действующему значению тока. Время срабатывания ТО зависит от кратности тока короткого замыкания (КЗ) относительно значения уставки. При кратности 1,2 время срабатывания не превышает 25 мс., при двухкратном превышении действующего тока - не более 20 мс. Значение установки может быть задано программным путем (от 500 до 4000 А) с дискретностью 10 А. Токовая отсечка (ТО2) является защитой с мгновенным действием на отключение по мгновенному значению тока (мгновенное значение тока может превышать действующее значение установившегося тока КЗ в 2,82 раза). Время срабатывания ТО2 при кратности тока КЗ относительно тока уставки 1,2 не более 12 мс., а при кратности 2,0 - не более 7 мс. Токовая отсечка ТО2 может быть введена или выведена из работы с помощью специального программного ключа S1 (рис. 1). Кратность тока КЗ относительно тока уставки связана с возможными кратковременными действиями пусковых токов электровозов и переходных токов.
Алгоритм работы ТО, ТО2
Режим токовой отсечки является основным в плане защиты электрооборудования системы тягового электроснабжения от токов КЗ, а алгоритм работы данного режима является сбалансированным и не нуждается в усовершенствовании (модификации).
Дистанционная защита, реализуемая в устройстве ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС), имеет четыре ступени. Первая ступень дистанционной защиты может быть выбрана направленной или ненаправленной (с помощью соответствующего программного ключа S3) (рис. 2) [1, 2].
Рис. 2. Алгоритм работы первой ступени ненаправленной дистанционной защиты ННДЗ1
Ненаправленная дистанционная защита (ННДЗ) является защитой по значению модуля полного сопротивления и может работать с блокировкой по напряжению или току (выбор осуществляется программным ключом S2). Блокировка реализована срав-
359
нением действующих значений первой гармонической составляющей напряжения и или тока фидера II со значениями их соответствующих уставок инб и 1тб . Значения уставок могут быть изменены программным путем в следующих пределах: по сопротивлению от 4 до 30 Ом (с шагом 0,1 Ом); по току от 150 до 1000 А (с шагом 10 А); по напряжению от 0,5 до 15 кВ (с шагом 0,1 кВ). Время срабатывания ННДЗ при кратности тока КЗ относительно тока уставки 1,2 не превышает 50 мс., а при кратности 2 - не более 45 мс.
При работе ННДЗ с блокировкой по току (программный ключ S2 в верхнем положении) срабатывание устройства релейной защиты происходит при одновременном выполнении трех условий (логический элемент И): действующее значение тока 11 больше минимально-допустимого значения 1мин, модуль полного сопротивления Z1 меньше значения уставки и действующее значение тока 11 превышает значение тока блокировки 1тб. При нахождении значения тока 11 в допустимых пределах 1мин<11<1тб на выходе компаратора действует «логическая 1» и далее после инвертора «логический 0». «Логическая 1» на выходе инвертора появляется только при превышении действующего значения тока 11 значения тока блокировки 1тб (1000 А).
При работе ННДЗ с блокировкой по напряжению «логическая 1» на выходе соответствующего компаратора действует только при уменьшении действующего значения напряжения и на фидере ниже значения напряжения блокировки инб (15 кВ). Срабатывание устройства релейной защиты в этом режиме происходит при одновременном выполнении трех условий (логический элемент И): действующее значение тока 11 больше минимально-допустимого значения 1мин, модуль полного сопротивления Z1 меньше значения уставки и действующее значение напряжения и меньше значения напряжения блокировки инб.
В плане работы ННДЗ следует отметить, что она выполнена сбалансированной и оптимально справляется с возложенными на нее задачами.
Направленная дистанционная защита (НДЗ) является защитой на отключение или сигнализацию. НДЗ условно выполнена в виде четырех ступеней, три из которых имеют вид ограниченных секторов на плоскости комплексного сопротивления. Сектора ограничены по модулю полного сопротивления и двумя значениями уставок по углу.
НДЗ1 вместе с резервной ступенью РТЗ1 образуют защиту мгновенного действия. Ступени НДЗ2 ^ НДЗ4 являются алгоритмами с программно задаваемыми задержками времени срабатывания. Для защиты от близких коротких замыканий, сопровождаемых значительным снижением напряжения эти ступени (как и НДЗ1) резервируются соответствующими резервными ступенями (РТЗ1 + РТЗЗ) токовой защиты с едиными элементами выдержки времени (см. рис. 3). Переключение на РТЗ всех ступеней осуществляется автоматически программными ключами S3, S6 при действии на фидере напряжения ниже трехпроцентного значения относительно номинальной величины иНБ < 0,03иН.
Срабатывание НДЗ1-НДЗ3 (РТЗ1-РТЗ3) осуществляется при одновременном выполнении следующих условий:
уменьшение модуля комплексного сопротивления менее значения уставки (программная установка от 4 до 30 Ом для НДЗ1, от 10 до 60 Ом для НДЗ2 и от 25 до 140 Ом для НДЗЗ соответственно), действие напряжения на фидере более значения блокировки инб=15 кВ, выход значения аргумента комплексного сопротивления за допустимые границы;
превышение значения тока фидера значения блокировки (программная установка от 100 до 3000 А), уменьшение напряжения на фидере менее значения блокировки инб (15 кВ).
В алгоритме НДЗ2 и НДЗ3 предусмотрена программная отстройка второй и третьей ступеней от пусковых токов и бросков токов намагничивания в трансформаторах электровозов. Отстройка осуществляется путем совместной оценки измеренного
360
действующего значения первой гармоники тока и модуля комплексного сопротивления нагрузки при условии, что коэффициент гармоник превышает величину уставки Кгу (рис. 3).
269.75/^ти|]
Рис. 3. Алгоритм работы направленной дистанционной защиты
НДЗ1-4(РТЗ1-3)
В алгоритме НДЗ2 и НДЗЗ также предусмотрена возможность программного изменения диапазонов аргумента комплексного сопротивления нагрузки на участках нахождения постов секционирования и пунктов параллельного соединения, где имеется возможность протекания токов в обоих направления. Программные компараторы и ключи позволяют добавлять симметричные зоны срабатывания относительно направления протекания тока (рис. 3).
Четвертая ступень направленной дистанционной защиты (НДЗ4) предназначена для защиты от замыканий через низкоомные опоры контактной сети. Для отстройки пусковых токов НДЗ4 блокируется при превышении коэффициента гармоник Кг значения уставки Кгу. Срабатывание НДЗ4 осуществляется при одновременном выполнении следующих условий (см. рис. 3): уменьшение сопротивления нагрузки менее значения уставки;
уровень напряжения на фидере больше значения напряжения блокировки (инб=15 кВ);
не превышение коэффициента гармоник Кг значения уставки Кгу;
наличие или отсутствие симметричных зон срабатывания.
361
Перед анализом эффективности работы комплексного алгоритма устройств ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС) следует проанализировать еще одну, обособленную ступень защиты по минимальному напряжению (ЗМН). Алгоритм ЗМН, приведенный на рис. 4, имеет программно задаваемую задержку по времени срабатывания от 0,1 до 15,0 с. Уровень минимального напряжения может быть задан программным путем от 0,5 до 25,0 кВ. ЗМН может быть введена или выведена из работы программным ключом S9. Предусмотрена блокировка ЗМН при отключенном положении выключателя.
РПП вв
Рис. 4. Алгоритм работы ступени защиты по минимальному напряжению (ЗМН)
Проведенные на Забайкальской железной дороге исследования по выявлению числа срабатываний МУРЗ ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС) по неустановленным причинам и их анализ [4, 5, 6, 7] дают все основания утверждать, что причиной этих срабатываний чаще всего являются конструктивные недостатки микропроцессорных терминалов релейной защиты, связанные с:
несовершенным, сложным алгоритмом направленной дистанционной защиты
(НДЗ);
отсутствием учета информации о текущей поездной ситуации;
отсутствием оперативной информации относительно действующих электрических параметров СТЭ у дежурного персонала тяговых подстанций.
Ложность алгоритма направленной дистанционной защиты (НДЗ) заключается в:
дискретизации значений модулей и аргументов комплексного сопротивления нагрузки по четырем градациям (ступеням);
организации программно-задаваемых задержек времени срабатывания для каждой из ступеней (кроме первой);
фиксации симметричных зон срабатывания.
Работы авторов [8, 9, 10, 11, 12] были направлены на комплексную модернизацию железнодорожных МУРЗ. На рис. 5 представлена обобщенная структурная схема предлагаемой комплексной модернизации и автоматизации терминала цифровой защиты и автоматики фидера контактной и тяговой сети ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС).
В рамках комплексной модернизации и автоматизации МУРЗ с целью отстройки от кратковременных переходных процессов в системе тягового электроснабжения (СТЭ) предлагается изменить несовершенный штатный алгоритм НДЗ (рис. 5).
Основной идеей предложенного алгоритма НДЗ является его независимость от значений аргумента комплексного сопротивления нагрузки СТЭ. Нормальный режим работы СТЭ в плане модуля комплексного сопротивления оценивается в алгоритме ННДЗ. Аргумент комплексного сопротивления с точки зрения нормального режима работы линейных устройств тягового электроснабжения играет второстепенное значение. Основное значение, с точки зрения исправности электрооборудования тяговых подстанций, постов секционирования и контактной сети, имеют действующие значения тока и напряжения на соответствующих фидерах. При этом появляется возможность отказа в предлагаемом алгоритме НДЗ от прямой градации параметров комплексного сопротивления нагрузки и учета динамики контролируемых функций тока и напряжения (рис. 6).
В предлагаемом алгоритме оценка и учет динамически изменяемых параметров СТЭ в период действия пусковых токов электровозов, насыщения сердечников трансформаторов и других переходных процессов осуществляется посредством прогнозиро-
вания изменения контролируемых функций тока и напряжения по значениям их первых производных (найденных в окрестностях нулевых отметок), либо по трем экспериментальным точкам (снятым вблизи локальных максимумов), в зависимости от текущей фазы сигналов (см. рис. 6) [8].
- терминал релейной защиты (МУРЗ)
- усовершенствованный алгоритм НДЗ
- аппаратные средства комплексной системы автоматизации
- ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции
- информационный канал ГИД
- подсистема визуализации
- подсистема унифицированных шаблонов
Рис. 5. Обобщенная структурная схема предлагаемой комплексной модернизации и автоматизации терминала цифровой защиты и автоматики фидера контактной и тяговой сети ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС)
Для фиксации моментов перехода контролируемых сигналов тока и напряжения через нулевые отметки и повышения точности измерения начальных фаз контролируемых сигналов между первичными трансформаторами тока и напряжения и модулями датчиков тока (МДТ) и датчиков напряжения (МДН) штатной схемы устройства ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС) предлагается ввести внешние устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [10, 11].
Предлагаемый (модифицированный) алгоритм работы НДЗ устройства релейной защиты состоит в снятии входных контролируемых сигналов тока и напряжения с измерительных трансформаторов 1 и 2, выходы которых подключены к модулям задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ,
363
сигналы с которых далее поступают в МДТ (5) и МДН (6), обеспечивающих гальваническую развязку и масштабирование входных сигналов, а также согласования импедан-сов. С МДТ и МДН измеряемые сигналы поступают в модуль контроллера измерений и защит (МКИЗ), представляющий собой модуль аналого-цифрового преобразования, обработки и хранения дискретных значений тока и напряжения.
'ф
йх ?к+1 - ^0(к)
16
гг > Да
Нет
с: II
—К НД3
Рис. 6. Предлагаемый алгоритм НДЗ на основе метода прогнозирования
В МКИЗ данные в дискретном виде сохраняются в последовательных регистрах тока и напряжения 7 и 8, на основе которых в блоке определения текущих и прогнозных электрических параметров контролируемых сигналов тока и напряжения происходит определение частоты, начальной фазы и первой производной прогнозируемых функций тока и напряжения, на основе которых в зависимости от численных значений соответствующих дискретных отсчетов тока и напряжения находятся значения амплитуд прогнозируемых функций посредством функциональных подпрограмм 17-20 одним из двух способов: либо по значениям первой производной, определенной вблизи нулевых отметок контролируемых функций, либо по трем ненулевым смежным дискретным измеренным значениям тока или напряжения, снятым вблизи локальных экстремумов (выбор реализуется посредством компараторов 15 и 16).
На основе выходных данных подпрограмм 17-20 относительно прогнозируемых функций тока и напряжения осуществляется проверка условий для принятия соответствующего решения на аварийное отключение защищаемого объекта. При проверке компаратором 21 и превышении амплитуды прогнозной функции тока увеличенного на 20 % (по условиям пусковых токов локомотивов) значения уставки, осуществляется проверка по критическому значению тока компаратором 23. Если значение амплитуды прогнозной функции тока меньше максимально допустимого значения (3000 А), начинается отчет времени длительностью 0,03 с (3 полупериода тока промышленной частоты) и одновременное хранение в подпрограмме 25 значений амплитуд прогнозируемой функции тока за три действующих полупериода частоты сигнала. В случае достижения значений амплитуды прогнозной функции тока на двух крайних полупериодах менее увеличенного на 20 % значения уставки, в компараторе 27 принимается решение о сохранении текущего режима работы защищаемого объекта. В случае же превышения значений амплитуды прогнозной функции тока на двух крайних полупериодах величины уставки, увеличенной на 20 %, принимается решение об аварийном отключении защищаемого объекта. В случае превышения значения амплитуды прогнозируемой функции тока максимально допустимого значения (3000 А) даже в пределах одного по-
364
лупериода, с компаратора 23 подается команда об аварийном отключении защищаемого объекта. Аналогичным образом действует алгоритм отключения защищаемого объекта по результатам оценки значений амплитуд прогнозной функции напряжения. При проверке компаратором 22 и уменьшении значения амплитуды прогнозируемой функции напряжения, уменьшенного на 20 % (по условиям пусковых токов локомотивов) значения уставки, компаратором 24 осуществляется проверка на превышение минимального допустимого уровня напряжения в контактной сети. Если значение амплитуды прогнозируемой функции напряжения больше 19 кВ, начинается отчет времени длительностью 0,03 с (три полупериода тока промышленной частоты) и одновременное хранение в подпрограмме 26 значений амплитуд прогнозируемой функции напряжения за три прогнозных полупериода частоты сигнала. В случае действия значений амплитуды прогнозной функции напряжения на двух крайних полупериодах более уменьшенного на 20 % значения уставки, компаратором 28 принимается решение о сохранении текущего режима работы защищаемого объекта. В случае же уменьшения значений амплитуды прогнозной функции напряжения на двух крайних полупериодах величины уставки, уменьшенной на 20 %, компаратором 28 генерируется команда на аварийное отключение защищаемого объекта. В случае уменьшения значения амплитуды прогнозируемой функции напряжения ниже минимального допустимого уровня напряжения в контактной сети (19 кВ), даже, в пределах одного полупериода, компаратором 24 выдается команда на аварийное отключении защищаемого объекта. Логический элемент ИЛИ (29) выполняет функцию выдачи сигнала «логической 1» на выходной разъем 30 на отключение фидера контактной сети в любом из четырех указанных случаев.
Относительно аналитики функционирования предлагаемого алгоритма НДЗ, следует отметить следующее. Прогнозируемые функции тока и напряжения в алгоритме представляются в виде функции синуса:
/(0 = 1т • • г + р1), и (г) = ит • • г + ри), (1)
Определение значений угловой частоты, начальных фаз и разности фаз прогнозных функций тока и напряжения осуществляется на основе значений времени двух или трех соседних нулевых отметок (рис. 7), зафиксированных модулями задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ и их последующего анализа:
2ж 2 •ж
=-' ®и =-
'г и г - г
1'0(к+1) ('0(к-1) 1и 0(к+1) 1и 0(к-1)
(2)
г - 0 г - 0
р = 3600 • '0(к-1) 0 , р = 3600 • °0(к-1) 0 , ¥ = Ри-р (3)
г - г г - г
Ч 0(к +1) Ч 0(к-1) 1и 0(к +1) и0(к -1)
тока и напряжения
365
Определение значений первых производных контролируемых сигналов тока и напряжения посредством подпрограмм 13 и 14 производится по двум соседним измеренным дискретным значениям вблизи соответствующих нулевых отметок, зафиксированных модулями задания управляющих опорных сигналов по току 3 и напряжению 4 на основе схем ФАПЧ:
,, Л,, dU, „ и.
к+1 __к+1 к+1 __к+1
^ Ч +1 - ^0(к) ^ 4+1 ~ Со(к)
(4)
Расчет значений амплитуд прогнозных функций тока и напряжения осуществляется либо посредством подпрограмм 17 и 19 по значениям первых производных контролируемых сигналов, определенных вблизи соответствующих нулевых отметок:
^к+1 и+1
1т _-
dt_, и __(к__(7)
■ - И, ■ ^ + п I " и■ - и • ^ + *
либо подпрограммами 18 и 20 по трем текущим измеренным значениям тока (напряжения), снятым до или после перехода контролируемых сигналов через нулевые отметки:
1 к ' ( 1 к +1 1к-1 ) 4• 12-((+1 + 1к-1)\
1т _.) к V к+'-+122 , ит _
II (к+1 - ик-1 )2
+и2 (8)
4 и -(+1 + ик-1)
Активность подпрограмм 17, 19 или 18, 20 в каждый текущий момент времени зависит от фазы контролируемого сигнала тока или напряжения.
Эффективность представленной методики прогнозирования в составе предлагаемого алгоритма НДЗ была подтверждена многократными теоретическими и экспериментальными исследованиями. Пример анализа одной аварийной ситуации посредством методики прогнозирования приведен на рис. 8 и 9.
На рис. 8 представлен фрагмент осциллограммы тока (кривая выделена красным цветом), снятой штатным терминалом МУРЗ на одной из тяговых подстанций Забайкальской железной дороги.
Рис. 8. Фрагмент анализируемой осциллограммы тока
Анализ представленной осциллограммы тока показывает, что на интервале времени от минус 80 мс до минус 75 мс амплитудное значение тока резко возрастает с 900 А до 2200 А, а затем на интервале от минус 5 мс до плюс 5 мс интенсивно снижается до допустимого значения 700 А. Результат применения методики прогнозирования
366
для анализируемого сигнала тока на интервале от минус 10 до 10 мс с расчетом значений амплитуды прогнозной функции тока по значениям первой производной, найденной вблизи нулевой отметки t=0, представлен на рис. 9.
|i npoi но'жруемая функция тока
I1(tl) прогнозная функция тока
Рис. 9. Прогнозирование контролируемой функции тока по значениям первой производной, найденным вблизи нулевой отметки
Анализ полученных графиков (см. рис. 9) показывает, что прогнозная функция с высокой точностью описывает поведение контролируемого сигнала тока на несколько полупериодов вперед, что позволяет заранее оценивать изменения значений амплитуды тока и напряжения и продолжительность их действия. Таким образом, предложенный алгоритм НДЗ позволяет осуществлять селекцию кратковременных переходных процессов, сопровождаемых кратковременными изменениями электрических параметров от аварийных режимов работы СТЭ.
В рамках комплексной автоматизации и модернизации МУРЗ, с целью учета информации о текущей поездной ситуации, также предлагается внедрение системы унифицированных шаблонов электрических параметров СТЭ (связанных с особенностями нормального режима ее работы), создаваемых на основе нейросетевых технологий, которая была подробно рассмотрена ранее [12]. Основным назначением системы шаблонов является анализ, фиксация и контроль электрических параметров СТЭ в нормальном режиме ее работы в зависимости от текущей поездной ситуации. Система шаблонов позволяет диагностировать предаварийные режимы работы СТЭ по отклонениям электрических параметров от среднестатистических значений, найденных в ходе предварительного анализа однотипных поездных ситуаций. Упрощенный алгоритм работы системы шаблонов представлен на рис. 5. Система шаблонов электрических параметров СТЭ представляет собой нейронную сеть, реализованную в виде программы, установленной на ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции.
Обучение нейронной сети осуществляется постоянно, с момента ее запуска. Суть обучения состоит в непрерывном сопоставлении данных о текущей поездной ситуации (число поездов на участке, координаты поездов (занятость блок-участков), профиль пути, масса поездов, тип локомотивов и т.д.) с текущими электрическими параметрами СТЭ данного участка. Информация по данной поездной ситуации передается в ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции по выделенному каналу железнодорожной сети Intranet с системы ГИД-УРАЛ (график исполненного движения) [13, 14]. Ограниченный режим доступа (просмотр параметров движения) к системе ГИД уже имеется на каждой тяговой подстанции Забайкальской железной дороги. В составе системы ГИД имеется подсистема контроля состояния занятости или свободности изолированных участков с устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) [16].
В системе ГИД также имеются функции расчета среднего веса, длины и скорости движения поездов за определенный или заданный период времени. Информацию по текущим электрическим параметрам СТЭ, необходимую для функционирования и обучения нейронной сети, предлагается снимать с измерительных трансформаторов тока и напряжения плат МДТ и МДН, оцифровывать посредством USB осциллографа, осуществлять предварительную обработку информации во вспомогательном микроконтроллере и передавать по экранированной линии связи на ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции.
В режиме обучения нейронной сети данные о повторяющихся поездных ситуациях и соответствующих им электрических параметров СТЭ с пределами вариативности группируются и шифруются в уникальные хеш-коды (с помощью алгоритма хеширования SHA-2 (SHA-256)) [12]. При дальнейшей работе системы унифицированных шаблонов с определенной периодичностью анализируется текущая поездная ситуация, сопоставляется с имеющимися хеш-кодами. В результате появляется возможность выявления предаварийных режимов работы СТЭ, связанных со значительными отклонениями электрических параметров от их номинальных значений, определенных для текущей поездной ситуации в режиме обучения нейронной сети.
Еще одним серьезным недостатком штатного терминала релейной защиты ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС) является отсутствие оперативной информации относительно действующих электрических параметров СТЭ у дежурного персонала тяговых подстанций. Запись и визуализация контролируемых сигналов и сигналов управления в штатной схеме МУРЗ осуществляется только при фиксации аварийной ситуации и только в пределах временного интервала 100 мс. Между тем, практика показывает, что для анализа и последующего предупреждения причин ряда аварийных ситуаций требуется анализ осциллограмм электрических параметров в периоды времени, предшествующие и последующие относительно момента аварийной ситуации. С этой целью в рамках комплексной модернизации и автоматизации устройств релейной защиты была разработана непрерывная независимая система фиксации и визуализации электрических параметров СТЭ (рис. 5). Информация по текущим электрическим параметрам СТЭ снимается с измерительных трансформаторов тока и напряжения плат МДТ и МДН, оцифровывается посредством USB осциллографа. На основе полученных цифровых дискретных значений тока и напряжения во вспомогательном микроконтроллере в каждый момент времени по двум соседним измеренным значениям производится расчет значений коэффициентов полиномов A, B, C, D кубических сплайнов Акима [15, 16]:
y = Ax3 + Bx2 + Cx + D (9)
y. = Ax3 + Bx2 + Cx + D
У i i i i
y.+, = Ax3+, + Bx2 + Cx +, + D
si + 1 i + 1 i + 1 i + 1
3 Ax2 + 2 Bxl + C = ——. f СУ^И + (yi+1 - yi К-11 (10)
d. , d.
d. , + d.
i-1 i \
2 1 f 3 Ax2+1 + 2 Bx++1 + C = ——- •
d. + d.+1
i i + 1
(y+1- yt)di+1 + (у,-+2 у+1к
I I +1 /
где di _1 = X. _ X. 1, di = X.+1 - X., di+1 = X.+2 - X.+1 .
Первые два уравнения системы (10) представляют значения функции в двух соседних точках xi, X.+1. Третье и четвертое уравнения представляет собой склейку искомого полинома на отрезке [ X., X.+1 ] с ранее найденным и следующим полином соответственно на отрезках [ X-1з X ] и [ X+1, X+2 ] путем приравнивания первых производных искомого полинома в точках (X., у {) и (X+1, У+1) с тангенсами углов, образованных соответственно катетами [ у+1, у _1 ], [ X+1, X _1 ] и [ У.+2> У ], [ X+2. X ].
В работе [17] было доказано, что сплайны Акима, представляющие собой кубические сплайны с приближением к прямой в граничных точках, обладают наибольшей точностью аналитического представления контролируемых функций тока и напряжения в устройствах релейной защиты.
На основе найденных значений коэффициентов полиномов А, В, С, D, переданных по цифровой экранированной линии связи, в ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции осуществляется непрерывный вывод на экране монитора, графиков функций контролируемых сигналов тока и напряжения в виде сплайнов (рис. 5). Хранение значений коэффициентов полиномов осуществляется на этой же ПЭВМ.
К преимуществам предлагаемого алгоритма визуализации следует отнести: непрерывный контроль и запись осциллограмм контролируемых сигналов тока и напряжения фидеров контактной (тяговой) сети;
независимость и автономность измерительных операций; простота вычислительных операций;
распределение вычислительных операций между вспомогательным микроконтроллером и ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции;
нахождение коэффициентов полинома только на одном частном отрезке по ранее измеренным значениям без необходимости пересчета коэффициентов после последующих измерений.
Заключение. Подводя итоги, следует отметить, что предложенная комплексная модернизация и автоматизация действующих МУРЗ позволит реализовать большие возможности ее микропроцессора. Алгоритмы всех ступеней штатного устройства реализованы программных способом в модуле контроля автоматики (МКА) (рис. 5). МКА имеет в своем составе: память программ, оперативное запоминающее устройство, электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). МКА получает значения электрических параметров СТЭ из МКИЗ. На основании этой информации, а также значений программных уставок, хранящихся в ППЗУ, вырабатываются команды управления выходными реле в соответствии с алгоритмами защит, представленными выше. Авторами предлагается усовершенствовать алгоритм НДЗ на основе метода прогнозирования контролируемых функций тока и напряжения за счет исключения детерминированного анализа аргумента комплексного сопротивления, что позволит повысить селективность устройств релейной защиты и уменьшить число срабатываний по неустановленным причинам. Причем следует отметить, что на первом этапе опытной эксплуатации предложенного алгоритма НДЗ, возможна его работа в режиме сигнализации параллельно со штатным алгоритмом НДЗ ЦЗА-27,5-ФКС(ФТС).
В рамках комплекса мероприятий предлагается также на ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции реализовать систему унифицированных шаблонов, разработанную на основе нейронной сети и дополнительного информационного канала о текущей поездной ситуации (ГИД-УРАЛ). Система шаблонов внесет в работу штатного МУРЗ элемент обучаемости и позволит выявлять предаварийные режимы работы СТЭ и электрооборудования подвижного состава. Работа данной подсистемы на первом этапе может также подразумевать визуально-диагностический режим для формирования экспертного мнения при разборе аварийной ситуации.
Подсистема измерения и визуализации электрических параметров СТЭ, предложенная в рамках комплексной модернизации и автоматизации, позволит осуществлять независимый контроль за изменениями параметров рабочих режимов СТЭ участка во всем временном интервале с рабочего места дежурного персонала тяговой подстанции. Одновременно данная подсистема будет являться дублирующим измерительным и контрольным средством.
Предлагаемые аппаратные средства в рамках комплексной модернизации и автоматизации МУРЗ в виде устройств выделения первой гармоники тока и напряжения на основе схем ФАПЧ, вспомогательного микроконтроллера, цифрового ^В-
осциллографа и цифрового канала ГИД обеспечат работоспособность предлагаемых программных средств и необходимое сопряжение штатных терминалов МУРЗ и ПЭВМ дежурного персонала тяговой подстанции.
Список литературы
1. Руководство по эксплуатации 1СР.251.249 - 02 РЭ. Устройство цифровой защиты и автоматики фидера контактной сети ЦЗА-27,5-ФКС. 53 с.
2. Руководство по эксплуатации АВ036-00-000-00РЭ. Устройство цифровой защиты и автоматики фидера тяговой сети 2 х 25 кВ ЦЗА-27,5-ФТС. 61 с.
3. Руководство по эксплуатации ДИВГ.648228.082 - 14.01 РЭ1. Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ-ФКС-01. 81 с.
4. Епифанов Е.Л., Филиппов С.А., Востриков М.В. Проблемы существующих устройств релейной защиты фидеров контактной сети и пути их решения // 115 лет железнодорожному образованию в Забайкалье: образование - наука - производство : Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Чита: Забайкальский институт железнодорожного транспорта - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Иркутский университет путей сообщения", 2017. С. 217-223.
5. Мындреску Е.В., Пинчуков П.С. Поведение и состояние защит контактной сети переменного тока в современных условиях // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2016. Т. 1. С. 308-312.
6. Пупынин В.Н., Герман Л.А. Диагностика контактной сети переменного тока и современный алгоритм управления выключателями фидеров 27,5 кВ // Наука и техника транспорта. 2006. № 2. С. 40-55.
7. Пинчуков П.С. Комплекс релейных защит внешнего и тягового электроснабжения 25 кВ: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Пинчуков Павел Сергеевич. Хабаровск, 2004. 203 с.
8. Востриков М.В., Менакер К.В., Пультяков А.В. Прогнозирование динамики пусковых и переходных токов с целью повышения селективности микропроцессорных устройств релейной защиты фидеров контактной сети // Транспорт Урала. 2021. № 1(68). С. 86-92. DOI 10.20291/1815-9400-2021-1-86-92.
9. Vostrikov M.V., Menaker K.V., Ushakov V.A. Creation of a learning microprocessor system for protection of contact network feeders using adaptive parametric identification methods // lOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Conference on Transport and Infrastructure of the Siberian Region, SibTrans 2019. Moscow: Institute of Physics Publishing, 2020. P. 012066. DOI 10.1088/1757-899X/760/1/012066.
10. Менакер К.В., Востриков М.В., Тихомиров В.А. Применение схем фазовой автоподстройки частоты в измерительных органах тока и напряжения микропроцессорных устройств релейной защиты // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2020. № 3(67). С. 180-189. DOI 10.26731/1813-9108.2020.3(67) 180-189.
11. Патент № 2708684 C1 Российская Федерация, МПК G01R 31/00. Устройство фильтрации и выделения первой гармоники в микропроцессорных устройствах релейной защиты фидеров контактной сети на основе схем ФАПЧ: № 2018134810: за-явл. 01.10.2018: опубл. 11.12.2019 / К.В. Менакер, М.В. Востриков, Д.А. Яковлев, Е.В. Ярилов; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС).
12. Сизых В.Н., Данеев А.В., Востриков М.В., Менакер К.В. Автоматизация устройств микропроцессорной релейной защиты на основе использования нейросете-вых технологий // Известия тульского государственного университета. Технические науки. Тульский государственный университет. 2021. Вып. 11. С. 324-337.
13. Малунова Д.А., Забродин А.В. Система взаимодействия и поддержки баз данных пользователей системы ГИД «Урал-ВНИИЖТ» // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2019. № 4(20). С. 5-13.
14. Мусиенко Н.Н., Гусакова Е.Г. Анализ участковой скорости в системе ГИД "Урал - ВНИИЖТ" // Труды международной научно-практической конференции "Транспорт-2015". Ростов-на-Дону: Ростовский государственный университет путей сообщения, 2015. С. 176-177.
15. Афонский А.А., Суханов Е.В. Интерполяция в цифровой осциллографии // Контрольно- измерительные приборы и системы. 2010. № 5. С. 13-46.
16. Разработка метода интерполяции значений номограмм. Круковец Артём Сергеевич, Горелкин Георгий Александрович Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
17. Востриков М.В. Повышение селективности микропроцессорных устройств релейной защиты путем прогнозирования динамики пусковых и переходных токов, протекающих в контактной сети // СамГУПС, Наука и образование транспорту. 2019. № 1. С. 361-365.
Востриков Максим Викторович, старший преподаватель, [email protected], Россия, Чита, Забайкальский институт железнодорожного транспорта - филиал, ИрГУПС,
Данеев Алексей Васильевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения,
Менакер Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Чита, Забайкальский институт железнодорожного транспорта - филиал, ИрГУПС,
Сизых Виктор Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения
INCREASING THE SELECTIVITY OF THE MICROPROCESSOR RELAY PROTECTION OF FEEDERS OF THE AC RAILWAY CONTACT NETWORK
M.V. Vostrikov, A.V. Daneyev, K.V. Menaker, V.N. Sizykh
The algorithms of modern microprocessor devices of railway relay protection are based on the algorithms of their relay predecessors. Relay devices of that time had technical limitations on the implementation of protective functions, visualization functions, monitoring and diagnostics. Modern hardware and software tools make it possible to significantly expand the functionality of microprocessor relay protection devices. In this article, in order to increase the selectivity of railway microprocessor relay protection devices, a partial modernization of their algorithms is proposed based on the prediction of analyzed current and voltage signals on the contact network feeders, as well as the use of additional visualization systems and software.
Key words: microprocessor relay protection device, unified template, executed motion graph, hash code, directional remote protection, frequency phase-locked device, prediction technique, splines, algorithm, oscillogram.
Vostrikov Maxim Viktorovich, senior lecturer, [email protected]н, Russia, Chita, Zabaikalsk Rail Transport Institute, a branch of Irkutsk State Transport University,
Daneev Alexey Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk State University of Railway Transport,
Menaker Konstantin Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Chita, Zabaikalsk Rail Transport Institute, a branch of Irkutsk State Transport University,
Sizykh Viktor Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk State University of Railway Transport
УДК 621.316.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-372-379
МОДЕЛИРОВАНИЯ НАГРЕВА ФАЗНОГО ПРОВОДНИКА ПРИ НЕСИММЕТРИИ НАГРУЗКИ
С.Ш. Таваров, Б.И. Косимов
Статья посвящена проблеме нагревания фазных проводников при несимметрии нагрузки. Для выявления влияния токов нагрузки на изменения температуры проводника и количественной оценки теплового действия электрического тока с использованием преобразованной системы уравнения изменения температуры проводника и количественная оценка теплового действия электрического тока в среде Matlab была построена компьютерная модель участка электрической сети напряжением до 1000 В с блоками моделирования термопроцесса и алгоритма управления блока моделирования термопроцесса. Построенная модель позволяет представлять результаты изменения температуры проводника и количественная оценка теплового действия электрического тока в виде графической зависимости.
Ключевые слова: проводник, температура, ток нагрузки, компьютерная модель.
Проблема несимметрии нагрузки в бытовых потребителей в последнее годы становится все более актуальной и по сей день, она является полностью не решенной задачей. Неравномерность включения электроприемников в частности в часы максимума бытовыми потребителями создают ряд проблем:
1. Отклонения напряжения;
2. Возрастания токов нагрузки;
3. Появления токов в нулевом проводе.
В отдельности и в совокупности все эти проблемы приводят к увеличению вероятности снижению сроков службы электроустановок, возрастанию потери электроэнергии и снижению эффективности системы электроснабжения напряжением до 1000 В [1-4].
Известно, что наиболее подверженным воздействием изменения нагрузки в распределительных сетях до 1000 В являются кабельные линии и проводники [1-4].
Для оценки воздействия токов нагрузки на состояния изоляции проводников необходимо определить изменения температуры проводника в зависимости от влияния возрастания токов нагрузки [5-7]. Несмотря на то, что в этом направлении выполнены множество теоретических и экспериментальных работ [1-4] и опубликованы научные статьи проблема пока полностью не решена, а лишь ещё больше возрастает.
372
