CC BY
97
05.20.02 УДК 621.311
DOI: 10.24411/2227-9407-2020-10106
Разработка алгоритма автоматической адаптации параметров срабатывания многомерной интеллектуальной релейной защиты к конфигурации распределительных электрических сетей
Михаил Валерьевич Шарыгин 1, Владимир Юрьевич Вуколов 2, Антон Александрович Петров 3
1, 2 Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева,
Нижний Новгород (Россия) 3Научно-исследовательское предприятие общего машиностроения, Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение: расчет параметров срабатывания защит распределительных сетей является нетривиальной задачей. Уставки должны определяться с учетом перспективы развития электрической сети, включая возможное изменение как ее конфигурации, так и потребляемой мощности в узлах. Наличие распределенной генерации оказывает значительное влияние на перетоки мощности в сети, что негативным образом отражается как на чувствительности релейной защиты, контролирующей ее состояние, так и на сложность расчета параметров срабатывания.
Материалы и методы: в статье предложен новый подход к организации системы релейной защиты в электрических сетях с динамически изменяющейся топологией, содержащих в том числе источники распределенной генерации. Применение информационной сети позволяет организовать двухуровневую систему релейной защиты, основанную на использовании дифференциально-логического принципа действия с резервированием от ступенчатых защит, вводимых при отказе информационной сети. Для повышения чувствительности предлагается использовать многопараметрические защиты.
Результаты: значительными недостатками традиционного ручного расчета параметров срабатывания защит являются большая его продолжительность, а также возможный человеческий фактор, приводящий к появлению ошибок. Кроме того, высокочувствительные многопараметрические защиты зачастую не позволяют наглядно отобразить значения уставок на пространстве состояний, что еще больше усложняет выполнение расчетов. Для исключения этих недостатков необходима полная автоматизация расчета параметров срабатывания защит, учитывающая топологическое состояние сети.
Обсуждение: разработанная технология позволяет реализовать в составе распределительных электрических сетей высокочувствительные дифференциально-логические и ступенчатые многопараметрические защиты, что с учетом их адаптации к конфигурации электрической сети с помощью системы автоматического расчета уставок позволяет их применять в условиях изменения потокораспределения в микросетях с источниками распределенной генерации.
Заключение: разработана технология адаптации и настройки параметров срабатывания (уставок) защит, в том числе многомерных, для реконфигурируемых электрических сетей среднего класса напряжения, содержащих в своем составе источники распределенной генерации. Многомерность защиты позволяет повысить ее чувствительность к аварийным режимам. Особенностью разработки является возможность выполнения автоматизированных расчетов в условиях динамического изменения топологии электрической сети. Предложен макет программного обеспечения, реализующий данную технологию.
Ключевые слова: МЭК 61850, автоматический расчет уставок, генерация, защита относительной селективности, имитационное моделирование, информационная сеть, короткое замыкание, микрогрид, многопараметрическая защита, отказ, параметры срабатывания защит, режим, реконфигурируемая электрическая сеть, релейная защита, чувствительность, распределительные сети.
© Шарыгин М. В., Вуколов В. Ю., Петров А. А., 2020
©CD
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Для цитирования: Шарыгин М. В., Вуколов В. Ю., Петров А. А. Разработка алгоритма автоматической адаптации параметров срабатывания многомерной интеллектуальной релейной защиты к конфигурации распределительных электрических сетей // Вестник НГИЭИ. 2020. № 11 (114). С. 65-78. DOI: 10.24411/2227-94072020-10106
Algorithm of automatic adaptation of multidimensional relay protection setpoints to the configurable power distribution network
Mikhail Valeryevich Sharygi1, Vladimir Yuryevich Vukolov2, Anton Aleksandrovich Petrov3
1, 2 Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod (Russian Federation) 3 Scientific-Research Institute of General Mashine-Building, Nizhny Novgorod (Russian Federation)
Introduction: parameters calculating for relay protection triggering of power distribution networks is a non-trivial process. The settings should take into account the possibility of developing the electric network, including both changing its configuration and the energy consumption. Distributed power generation affects power flows in the network, which affects both the sensitivity of the relay protection and the complexity of calculating its setpoints. Materials and Methods: a new approach to the relay protection system organization in electric networks with a dynamically changing configuration, including distributed generation sources, is proposed. Information network using allows you to organize a two-level relay protection system based on the differential logic principle of operation with redundancy from multistage protections introduced when the information network fails. To the sensitivity increasing, it is proposed using multi-parameter protections.
Results: the disadvantages of manual calculation protection setpoints are its long duration, as well as the possible human factor that leads to errors. Also highly sensitive multiparametric protections often do not allow visual display of setpoint values, which further complicates the calculations. Full calculation automation relay protection setpoints, taking into account the topological state of the network, will eliminate these disadvantages.
Discussion: the developed technology makes it possible to implement highly sensitive differential logical protection and multistage multiparametric protection in the distribution electrical networks. Protection adaptation to the electrical network configuration using the automatically setpoint calculation allows them to be used in microgrid power flow changing.
Conclusion: the technology of adaptation relay protection setpoints, including multi-dimensional ones, for reconfigurable electrical networks containing distributed power sources is developed. Relay protection multi-dimensionality allows to increase its sensitivity to emergency modes. A feature of the development is the ability to perform automated calculations in the conditions of dynamic topology changes of the electrical network. Software that implements this technology is proposed.
Keywords: distribution networks, relay protection, simulation, reconfigurable electrical network, microgrid, multidimensional protection, automatic setpoints calculation, protection parameters, IEC 61850, information network, failure, short circuit, mode, generation, sensitivity, relative selectivity.
For citation: Sharygin M. V., Vukolov V. Y., Petrov A. A. Algorithm of automatic adaptation of multidimensional relay protection setpoints to the configurable power distribution network // Bulletin NGIEI. 2020. № 11 (114). P. 65-78. (In Russ.). DOI: 10.24411/2227-9407-2020-10106
Abstract
Введение
ния их топологии, с одной стороны, значительно повышает энергоэффективность всего электросетевого комплекса, с другой стороны, негативно влияет на чувствительность существующих устройств релейной защиты, обеспечивающих работоспособность электрических сетей при возникновении аварийных ситуаций.
Бурное развитие современных средств коммуникации, позволяющих обмениваться большими объемами информации между находящимися на значительном расстоянии друг от друга объектами, позволяет применить новый подход в построении перспективных распределительных электрических сетей SmartGrid с использованием цифровых технологий. Наличие генерации в распределительных сетях, а также возможность динамического измене-
Для решения данной проблемы потребуется разработка и внедрение новых типов релейной защиты, использующих возможности современных
технологий информационного обмена с применением микропроцессорных устройств. Разработка потребует выполнения:
1. Научно-технического анализа применимости в перспективных распределительных сетях 6-35 кВ современных типов релейных защит (РЗ).
2. Технического анализа эффективности новых высокочувствительных многомерных пусковых органов РЗ.
3. Анализа технического совершенства принципиально новой токовой защиты по чисто аварийному режиму.
4. Разработки схемы взаимодействия существующих и перспективных типов релейных защит для увеличения чувствительности и быстродействия защит цифровых распределительных сетей (SmartGrid).
5. Разработки основных этапов и методов внедрения новых типов РЗ.
Анализ применимости существующих типов релейной защиты в перспективных электрических сетях. Релейная защита современных распределительных сетей 6-35 кВ, как правило, основана на максимальном токовом принципе (МТЗ и ТО) и, значительно реже, на дистанционном принципе (ДЗ) [1, с. 275]. Эти традиционные принципы применяются уже более ста лет без значительных изменений.
Параметры срабатывания (уставки) этих защит рассчитываются вручную на перспективу как минимум в несколько лет и поэтому должны учитывать сразу все возможные режимы электросети за этот срок.
Существует несколько случайных факторов, осложняющих расчеты РЗ:
- случайный объем потребления/выдачи мощности нагрузкой/источником;
- случайная конфигурация элетрической сети (случайное положение коммутационных аппаратов);
- случайные параметры короткого замыкания (время, место, вид, переходное сопротивление);
- погрешности РЗ и отказы срабатывания.
Управлять можно только первыми двумя факторами.
Первым фактором можно управлять в ограниченном объеме, как правило, жестко ограничивая максимальную величину потребления / выдачи мощности, при этом сам график мощности будет случайным: от нулевой мощности до максимальной.
Вторым фактором можно управлять полностью за счет переключения коммутационных аппаратов. С помощью секционирования сложная распределительная сеть может иметь множество вари-
антов конфигурации. Однако при этом становится невозможно рассчитать статические уставки РЗ, пригодные для всех вариантов конфигурации и одновременно имеющие допустимую чувствительность.
Поэтому в сложных распредсетях только часть конфигураций является разрешенными (так называемые нормальные, ремонтные и послеава-рийные режимы). Прочие коммутационные состояния сети недопустимы из-за неготовности к ним РЗ сети.
Если электросеть является реконфигурируе-мой, т. е. может резко менять свою топологию, имеет постоянно меняющиеся нагрузки потребителей [2, с. 42], а также может содержать источники распределённой генерации [3, с. 227], то сделать традиционную защиту чувствительной и быстродействующей для этой сети сложно, дорого, а порой и невозможно [4, с. 39].
Подобные реконфигурируемые распределительные сети существуют в городах, промышленных предприятиях и в сельских районах с близко расположенными центрами питания. Возможности реконфигурации сейчас для них ограничены релейной защитой, которая требует обновления параметров срабатывания раз в сезон или чаще (при каждой реконфигурации) [5, с. 28].
Перспективные распределительные сети (микрогрид) [6, с. 18] также будут реконфигуриру-емыми, содержать большое количество мощных источников распределенной генерации [7, с. 106], а также случайные нагрузки в узлах, чьи параметры будут определяться потребителями [8, с. 29], поэтому в микрогрид традиционные системы защиты распредсетей применить будет затруднительно [9, с. 4].
Очевидно, что система высокочувствительной интеллектуальной релейной защиты должна адаптироваться ко всем изменениям в распредсети, учитывая перспективы развития микрогрид [10, с. 33].
Схема взаимодействия существующих и перспективных типов релейной защиты. В будущем, при наличии информационной сети по стандарту МЭК 61850 [11, с. 19] достаточной пропускной способности между подстанциями, основная релейная защита распределительной электрической сети (SmartGrid), безусловно, должна выполняться максимально быстродействующей и максимально чувствительной (уровень 1, рис. 1) на дифференциальном принципе или ему подобном. Такие защиты слабо зависят от топологии и режима сети, и проблема повышения чувствительности для них не является первоочередной.
Для достижения максимальной технической эффективности резервная защита тоже должна базироваться на этом же принципе, поскольку информационная сеть дает такую возможность (уровень 1, рис. 1) [12, с. 7].
При условии наличия информационной сети и возможности распознавания отказа основных защит или выключателей, отключение от резервных защит
тоже будет выполняться без выдержки времени [13, с. 25]. Если нет возможности распознавания отказа основных защит или выключателей, то резервная защита будет срабатывать с минимальной выдержкой времени (определяемой суммой времен срабатывания устройства основной защиты, отключения основного выключателя, задержкой передачи информации и их погрешностей) [14, с. 8].
Информационная сеть МЭК 61850 / IEC 61850 information network
S
IED RPD W
RPD-1
RPD-2
СИ
IED RPD IS
RPD-1
RPD-2
IED RPD C
RPD-1
RPD-2
IED ACS
ACS
C M
^ Распределительная электрическая сеть / Electrical distribution network'
Рис. 1. Уровни релейной защиты реконфигурируемых распределительных сетей: IED RPD - интеллектуальное электронное устройство, реализующее функции РЗА; W- питающая линия; IS - вводной выключатель; C - потребитель; RPD-1 - устройство защиты первого уровня, использующее информационную сеть (основная защита); RPD-2 - устройство защиты второго уровня, не использующее информационную сеть (резервная защита); IED ACS - интеллектуальное электронное устройство автоматического расчета уставок
Fig. 1. Levels of relay protection for reconfigurable distribution networks: IED RPD - intelligent electronic device for relay protection; W- electricity transmission line; IS - incoming switch; C - consumer; RPD-1 - first-level relay protection that uses the information network (basic protection); RPD-2 - second-level relay protection that does not use the information network (backup protection); IED ACS - intelligent electronic device for protection settings automatic calculation
Вероятны ситуации отказа информационной сети или ее отдельных частей:
- полный отказ информационной сети или ее сегмента между подстанциями или распределительными устройствами;
- частичный отказ информационной сети, приводящий к задержкам в передаче информации или ограничению пропускной способности сети (например, в беспроводном варианте сети);
В этих ситуациях дифференциальные алгоритмы релейной защиты, использующие информационную сеть для принятия решения об отключении, с высокой вероятностью либо откажут, либо примут неправильное решение, поэтому их необходимо блокировать по факту отказа информационной сети.
На отказы информационной сети могут накладываться короткие замыкания в электрической сети. На эти случаи должна быть предусмотрена резервная релейная защита второго уровня, срабатывающая быстро, чувствительно и селективно,
используя минимальный объем информации от локальных измерительных преобразователей присоединения (уровень 2, рис. 1).
В существующих распределительных сетях информационная сеть может быть только в пределах подстанций или полностью отсутствовать [15, с. 37]. Тогда предложенный второй уровень резервной релейной защиты будет являться основным.
Во многом организация второго уровня резервной защиты будет соответствовать традиционным МТЗ и ДЗ: децентрализованным ступенчатым защитам относительной селективности [16, с. 2915]. Такие защиты должны либо устанавливаться на каждое присоединение электросети в виде отдельного устройства, либо выполняться на централизованном устройстве релейной защиты в пределах распредустройства или всей подстанции в виде виртуальных защит. Наилучший вариант можно определить после адекватного расчета и анализа надежности информационной сети подстанции и стоимости различных вариантов.
Анализ эффективности высокочувствительной многопараметрической защиты и автоматизация расчета уставок. При постоянных реконфигурациях электрической сети и смене ее режимов будет трудно или невозможно сохранить достаточный уровень чувствительности и быстродействия резервной релейной защиты, выполненной на традиционных принципах. Есть два решения этой проблемы:
- решение 1: изменить статичный вектор измеряемых параметров на более информативный, чтобы защита оставалась чувствительной и быстродействующей в любых, даже самых сложных режимах и конфигурациях электрической сети [17, с. 26]. Подобная защита будет более чувствительна, чем традиционные МТЗ и ДЗ [18, с. 118];
- решение 2: динамически менять параметры срабатывания (уставки) резервной релейной защиты при реконфигурации сети или резкой смене ее режима.
Влияние увеличения количества измерений пусковыми органами на эффективность выявления
аварийных режимов показано на рис. 2. Области нормальных и аварийных режимов получены путем имитационного моделирования в плоскости тока и напряжения. Вариативность факторов, влияющих на состояние режима, приводит к тому, что нормальная и аварийная области зачастую пересекаются, что не позволяет защите оценить состояние защищаемого объекта. На рис. 2, а показано пересечение нормального и аварийного режимов, поэтому пусковые органы, целиком охватывающие аварийный режим, будут ложно срабатывать и при возникновении некоторых нормальных режимов. В связи с этим область срабатывания защиты должна как можно полнее охватывать аварийные режимы, исключая при этом область пересечения режимов.
Сравнивая области срабатывания одномерной и двухмерной защит, видно, что двухмерная защита (рис. 2, с) более полно охватывает аварийные режимы, являясь более эффективной по сравнению с одномерной (рис. 2, Ь).
U, kV Область нормальных
режимов / Normal mode area
U, kV
7
/
/
r 'Y
Область аварийных режимов / Emergency mode
0
I, kA
/
0
Область срабатывания защиты / Relay protection area
V
L
I, kA
U, kV
Use
/ Область срабатывания
^'защиты / Relay protection area
0 Ise
I, kA
b
Рис. 2. Области режимов в пространстве тока и напряжения: a - нормальных и аварийных; b - срабатывания одномерной токовой защиты; c - срабатывания двухмерной защиты тока и напряжения; Iset, Uset - уставки срабатывания защит по току и напряжению Fig. 2. Modes areas in the current and voltage space: a - normal and emergency modes; b - one-dimensional current protection area; c - two-dimensional current and voltage protection area; Iset, Uset - protection setpoint
Перспективным является объединение двух решений представленной выше проблемы [19, с. 46].
Все эти решения требуют максимальной автоматизации расчета уставок защиты, поскольку ручной расчет параметров срабатывания защит будет:
- недопустимо длительным (ведь смена уставок защит будет требоваться в темпе процесса управления режимом и конфигурацией сети);
- неизбежно сопровождаться массой ошибок из-за сложности защит, отсутствия достаточного числа специалистов. Особенно этот фактор будет важен при расчете перспективных высокочувствительных многопараметрических защит, не имеющих наглядного, доступного для человека отображения.
Таким образом, для реконфигурируемых распределительных сетей, а также перспективных мик-рогрид необходима полная автоматизация расчета параметров срабатывания (уставок) релейной защиты как для традиционных защит, так и для перспективных многопараметрических защит.
При наличии информационной сети между подстанциями полная автоматизация позволит существенно увеличить техническое совершенство системы резервной релейной защиты за счет мгновенной адаптации уставок к текущим режимам и конфигурации сети. Автоматический расчет и раздачу уставок выполняет устройство АР (устройство автоматического расчета, рис. 1, 3).
При отсутствии информационной сети полная автоматизация позволит достичь максимально воз-
a
c
можного уровня технического совершенства системы релейной защиты за счет применения высокочувствительных многопараметрических защит, исключения человеческих ошибок при расчете их уставок, увеличения скорости расчета. В этом случае расчет уставок будет выполняться автоматически в АРМ инженера, передачу уставок в устройства защиты придется выполнять вручную (рис. 3).
Поскольку традиционные МТЗ и ДЗ являются одной из разновидностей многопараметрической
защиты, то система автоматизации расчета защит будет актуальна и в современной электроэнергетике. Это позволит
- увеличить техническое совершенство находящихся в эксплуатации ступенчатых защит относительной селективности за счет исключения человеческих ошибок;
- применять высокочувствительные многопараметрические релейные защиты совместно с традиционными защитами.
Применение децентрализованной многопараметрической ступенчатой релейной защиты относительной селективности / Decentralized multiparametric relay protection application
Контроль информационной сети / Information network monitoring
Наличие в электрической сети между подстанциями информационной сети по стандарту МЭК 61850 / Availability of information communication in accordance with the IEC 61850 standard in the distribution electrical network between substations
Да / Yes
Нет / No
Полная автоматизация защиты / Full protection automation:
- автоматический расчет уставок в специализированном интеллектуальном электронном устройстве / automatically relay protection setpoints calculation by intelligent electronic device;
- автоматическая передача уставок в устройства РЗА / automatically setpoints transfer to the relay protection devices
Частичная автоматизация защиты / Partial protection automation:
- автоматический расчет уставок в АРМ инженера / automatically relay protection setpoints calculation by AWS;
- ручная передача уставок в устройства РЗА / manually setpoints transfer to the relay protection devices
Рис. 3. Варианты применения децентрализованной многопараметрической ступенчатой релейной защиты относительной селективности Fig. 3. Application options for decentralized multiparametric multistage relay protection of relative selectivity
Технология автоматического расчета уставок РЗ и описание проблемы. Для реализации задачи полной автоматизации расчета уставок РЗ была разработана технология автоматического согласования и расчета параметров срабатывания децентрализованной многопараметрической ступенчатой релейной защиты относительной селективности. Технология применима к сетям до 220 кВ включительно любой топологии с любым количеством источников питания, а также к традиционным ступенчатым релейным защитам относительной селективности (МТЗ, ДЗ и их разновидности).
Расчет уставок РЗ в разработанной технологии производится только для одного коммутационного состояния сети. Если после расчета уставок производится переключение хотя бы одного коммутационного аппарата распредсети, то рассчитанные уставки перестают быть актуальными и не будут
соответствовать режимам распредсети. Увеличивается вероятность неправильных срабатываний РЗ и будет требоваться пересчет уставок РЗ.
При быстром автоматическом пересчете уставок РЗ и наличии работающей информационной сети между всеми подстанциями в распредсети эта ситуация не является проблемной. Напротив, каждое коммутационное состояние сети будет иметь свой собственный набор уставок, наилучшим образом соответствующий данным режимам сети (РЗ будет иметь максимальную чувствительность).
Однако при отказах информационной сети, одновременном возникновении КЗ и последующих переключениях коммутационных аппаратов уставки РЗ потеряют актуальность и будут не готовы к текущим режимам. Аналогичная ситуация произойдет и в случае отсутствия информационной сети между подстанциями.
Учет случайного фактора конфигурации распредсети
Рассчитать параметры срабатывания РЗ сразу для нескольких конфигураций распредсети можно несколькими способами:
1) прямым итерационным методом;
2) методом статистических испытаний (Монте-Карло).
Прямой итерационный метод подразумевает последовательное итеративное приближение параметров срабатывания РЗ по нескольким конфигурациям. Для этого алгоритм расчета уставок РЗ последовательно применяется ко всем необходимым коммутационным состояниям сети. Условием продолжения расчета является факт изменения уставок хотя бы в одном коммутационном состоянии сети. В обратном случае расчет останавливается с флагом успешности.
Данный метод является относительно просто реализуемым, не требует перестроения общего ал-
горитма (рис. 4) и позволяет достичь гарантированного решения (успешного или неуспешного). Недостаток прямого итерационного метода заключается в том, что его алгоритм не оптимален, требует много вычислительных ресурсов для расчета одних и тех же режимов при переборе вариантов коммутационного состояния сети.
Метод статистических испытаний (Монте-Карло) подразумевает рассмотрение каждого коммутационного состояния сети как отдельной случайной величины. Это значительно оптимальнее по сравнению с перебором вариантов коммутационных состояний в прямом итерационном методе. Однако для реализации метода статистических испытаний требуется перестройка общего алгоритма расчета (рис. 5), поскольку количество реализаций в каждой зоне защиты будет различным (в зависимости от количества различающихся между собой коммутационных состояний), а также сами зоны защиты будут меняться в зависимости от коммутационного состояния.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма расчета уставок РЗ прямым итерационным методом Fig. 4. Block diagram of the algorithm for calculating relay protection setpoints by direct iterative method
С
Начало / Start
\ Определени зон срабатыЕ Defining o: operation s е статичных ания защит / protection tatic zones
/
\
Перебор цепочек режимов и зон защит / Iterating over modes and protection zones
\ /
Конец цикла / Cycle ending
Расчет уставок с учетом случайного фактора конфигурации сети / Setpoints calculation based on a random network configuration
Да / Yes
Рис. 5. Блок-схема алгоритма расчета уставок РЗ методом статистических испытаний Fig. 5. Block diagram of the algorithm for calculating relay protection setpoints using statistical tests
Выполним численный расчет параметров срабатывания одномерных (токовых) защит на примере электрической сети, содержащей два источника электроэнергии (рис. 6). Схема содержит балансирующий источник, 3 кабельных линий и 2 нагрузочных узла. Расчет параметров срабатывания токовых защит выполняется для 5 точек установки устройств [20].
При проведении моделирования в целях упрощения проведем расчет только для одного коммутационного состояния сети: при всех включенных выключателях. В качестве ступени селективности принимается величина Лt = 0,5 с. Исходные параметры элементов сети представлены в таблицах 1-3.
05
W1
01
->
06
W2
02
04
W3
<-
07
C2
51
<Sh
52
<Sh- -
Рис. 6. Система электроснабжения: S - источник электроэнергии; Q - коммутационный аппарат с установленной релейной защитой; W- кабельная линия; C - потребитель электроэнергии Fig. 6. Electrical system: S - power supply; Q - switch and relay protection; W- power cable; C - consumer
03
C1
Таблица 1. Параметры источников Table 1. Power sources parameters
Параметр / Parameter 1 S1 1 S2
Номинальная мощность «ном, МВА / Nominal power Snom, MVA 50 10
Номинальное напряжение ином, кВ / Nominal voltage Unom, kV 10 10
Номинальный соб(ф) / Power factor 0,8 0,8
Поддерживаемое напряжение / Диапазон изменения, о. е. / Variation range, p. u 1-1,1 1-1,1
Supported voltage Фаза, ° / Phase, deg 0 0
Сопротивление системы в режиме короткого замыкания Хс, Ом / System resistance in short-circuit mode, Xs, Q 0,35 0,4
Таблица. 2. Параметры кабельных линий Table. 2. Cable lines parameters
№ КЛ / No. W Номинальное Сечение, мм2 Удельное сопротивление / Resistivity Длина, км / Length, km
напряжение ином, кВ / Nominal voltage Unom, kV / Cross section, mm2 Активное гуд, Ом/км / Active r0, Q/km Индуктивное худ, Ом/км / Inductive x0, Q/km
W1 W2 W3
10 10 10
35 35 35
0,51 0,51 0,51
0,09 0,09 0,09
2 3 2
Таблица. 3. Параметры нагрузок Table 3. Consumer parameters
Параметр / Parameter C1 C2
Диапазон изменения Активная мощность P, МВт / потребляемой мощности / Active power P, MW 0-1,6 0-0,8
The range of power consumption Реактивная мощность Q, Мвар / measurement Reactive power Q, Mvar 0-1,2 0-0,6
Номинальная мощность «ном, МВА / Nominal power Snom, MVA 2,0 1,0
Номинальное напряжение ином, кВ / Nominal voltage Unom, kV 10
Номинальный cos(9) / Nominal power factor 0,8
При моделировании режимов пользователь указывает системе о направленности защит и выбирает направление их действия. В случае если для некоторых защит параметры срабатывания устанавливаются в качестве исходных данных, а задачей системы автоматического расчета является отстройка от них уставок остальных защит, это также указывается при настройке параметров расчета.
Результаты автоматического расчета уставок приведены в таблице 4. Длительность автоматического расчета уставок и их проверки составила 1 сек. При развитии технологии возможно значительное сокращение времени расчета за счет оптимизации и параллелизации алгоритма технологии.
Анализ эффективности многопараметрических защит, в том числе токовой защиты по чисто аварийному режиму
Преимущество защит, использующих сигналы только от трансформаторов тока, по сравнению с защитами, использующими сигналы от трансформа-
торов тока и напряжения, состоит в их функциональной независимости от состояния измерительного тракта цепей напряжения. Для повышения чувствительности таких защит целесообразно использовать параметры чисто аварийного режима, вычисляемые в виде разности аварийного и доаварийного токов. Такой подход позволяет повысить чувствительность защиты к несимметричным повреждениям и в целом увеличить эффективность выявления повреждений.
Сравним эффективность распознавания аварийных режимов резервной защитой мгновенного действия (второго уровня), установленной на питающей линии, контролирующей различные наборы параметров режима на примере схемы, представленной на рис. 7. Для этого на основании имитационного моделирования вычислим долю обнаруживаемых аварийных режимов из их общего числа. При настройке пусковых органов следует исключить из области срабатывания нормальные режимы.
Таблица 4. Результат автоматического расчета уставок Table 4. Result of automatical setpoints calculation
I ступень / I stage II ступень / II stage III ступень / III stage
№ РЗ / No RPD Вперед / Forward Назад / Back Вперед / Forward Назад / Back Вперед / Forward Назад / Back
Iср, кА tср, с Iср, кА с Iср, кА tср, с Iср, кА tср, с Iср, кА tср, с Iср, кА tср, с
Q1 0,664 1 0,496 0,5 - - - - - - - -
Q2 0,546 1 2,87 0 - - 0,012 0,5 - - - -
Q3 0,472 0 - - - - - - - - - -
Q4 4,241 0 - - 0,304 0,5 - - - - - -
Q5 5,683 0 0,496 0 5,155 0,5 - - 0,89 1,5 - -
Q6 1,85 0 - - 1,678 0,5 - - 0,5464 1,5 - -
Q7
0,227
0
Примечания: /ср - ток срабатывания защиты соответствующей ступени и направленности; tcp - время срабатывания защиты соответствующей ступени и направленности / !ср - protection triggering current for selected stage and direction; t^ - protection triggering time for selected stage and direction.
IED RPD W
S
IED-1
IED-2
-OH
Consumer 1
Consumer 2 -
RW = 3±0,2 Q
XW = 8±0,8 Q
K = 2
PC1 = 0,5 MW Qci = 0,2 Mvar
PC2 = 0,7 MW QC2 = 0,3 Mvar
US = 10,5±0,5 kV " -----
RS = 1±0,5 П XS = 2±0,6 П
Рис. 7. Схема моделирования режимов: IED RPD - интеллектуальное электронное устройство, реализующее функции РЗА; W- питающая линия; S - источник электроэнергии; Kn - пусковой коэффициент; PC,QC -активная и реактивная мощности нагрузки; Consumer - потребитель; RPD-1 - устройство защиты первого уровня, использующее информационную сеть (основная защита); RPD-2 - устройство защиты второго уровня, не использующее информационную сеть (резервная защита) Fig. 7. Modes modeling; IED RPD - intelligent electronic device for relay protection; W- electricity transmission line; S - power supply; Kn - starting factor; PC,QC - power load; RPD-1 - first-level relay protection that uses the information network (basic protection); RPD-2 - second-level relay protection that does not use the information network (backup protection)
Таблица 5. Эффективность выявления аварийных режимов Table 5. Efficiency of detecting emergency modes
Коэффициент распознавания / Наблюдаемый параметр / The observed parameters
Recognition coefficients I I, U Iüb
Доля выявления аварийных режимов на питающей линии ступенью мгновенного действия / To detect emergency modes on the supply line with an instantaneous step
Эффективности распознавания аварийных режимов защитами, контролирующими различные наборы параметров (I - контроль тока; I, U - контроль тока и напряжения; !ав - контроль тока чисто аварийного режима), приведены в таблице 5.
Разработка этапов и методов внедрения новых типов релейной защиты
0,597
0,806
0,679
Переход на новый тип релейной защиты в распределительных сетях будет осуществляться в четыре этапа:
1. Построение системы РЗ на базе традиционных защит - токовой и дистанционной.
2. Переход на двухуровневую систему защит: дифференциальную и дифференциально-фазную на
первом уровне и высокочувствительную многопараметрическую на втором уровне.
3. Перевод системы релейной защиты электрической сети в режим активной самоадаптации к существующей топологии за счет внедрения технологии автоматического расчета уставок.
4. Применение автоматики управления режимами сети, обеспечивающей ее оптимальную конфигурацию при распределении электроэнергии.
Выводы
В реконфигурируемых распределительных электрических сетях существует проблема адаптации релейных защит для обеспечения их чувствительности. В перспективных микрогрид также будет существовать проблема чувствительности резервных защит при отказе информационной сети МЭК 61850. Для решения этих проблем предлагается применить децентрализованную многопараметрическую ступенчатую релейную защиту относительной селективности с полной или частичной автоматизацией расчета параметров срабатывания (уставок).
В ходе выполнения исследований разработан прототип системы высокочувствительной интеллектуальной релейной защиты распределительных электрических сетей, а также проведены:
- научно-технический анализ применимости в перспективных распределительных сетях 6-35 кВ современных типов релейных защит;
- технический анализ эффективности новых высокочувствительных многомерных пусковых органов РЗ;
- технический анализ технического совершенства принципиально новой токовой защиты по чисто аварийному режиму;
- разработана схема взаимодействия существующих и перспективных типов релейных защит для увеличения чувствительности и быстродействия защит цифровых распределительных сетей;
- разработаны основные этапы и методы внедрения новых типов релейных защит;
- вариант автоматической адаптации параметров срабатывания многомерных интеллектуальных устройств релейной защиты распределительных электрических сетей, работающих на технологии «условных уставок»;
- технология и алгоритм автоматического расчета уставок (параметров срабатывания) релейных защит в соответствии с фактической конфигурацией электрической сети;
- макет программного обеспечения для численного моделирования режимов.
С помощью разработанной технологии может быть создана система автоматического параметри-рования устройств РЗ для реконфигурируемых сетей с источниками распределенной генерации, которая позволит увеличить чувствительность и быстродействие защиты даже при отказе системы связи по МЭК 61850. Кроме того, данная технология позволит значительно увеличить скорость и степень автоматизации расчета уставок защит.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федосеев А. М. Релейная защита энергетических систем : Учебник для вузов. М. : «Энергия», 1976.
560 с.
2. Илюшин П. В., Паздерин А. В. Требования к делительной автоматике объектов распределенной генерации с учетом влияния параметров прилегающей сети и нагрузки // Электроэнергия. Передача и распределение. 2018. № 4 (49). С. 42-47.
3. Ву Х. Х., Воропай Н. И. Исследования аварийных режимов системы электроснабжения с распределенной генерацией и частотно-регулируемым электроприводом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 11 (94). С. 227-233.
4. Илюшин П. В., Музалев С. Г. Подходы к созданию систем управления микроэнегосистем // Релейная защита и автоматизация. 2016. № 3. С. 39-45.
5. Илюшин П. В., Небера А. А., Федоров О. А. Перспективы развития и инструменты автоматизации задач эксплуатации устройств РЗА // Релейная защита и автоматизация. 2017. № 2 (27). С. 28-37.
6. Концепция ПАО «Россети» «Цифровая трансформация 2030». М., 2018.
7. Нудельман Г. С., Онисова О. А. Релейная защита и автоматика в условиях развития малой распределённой энергетики // Электроэнергия. Передача и распределение. 2014. №4. С. 106-114.
8. Илюшин П. В., Куликов А. Л. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией // Нижний Новгород, 2019.
9. Chowdhury S., Chowdhury S. P., Crossley P. Microgrids and Active Distribution Networks, IET Renewable Energy series 6, The Institution of Engineering and Technology, 2009. 297 р.
10. Илюшин П. В. Анализ особенностей выбора устройств РЗА в распределительных сетях с собственными генерирующими объектами небольшой мощности // Электрические станции. 2017. № 9. С. 29-34.
11. СТО 34.01-21-004-2019 «Цифровой питающий центр. Требования к технологическому проектированию цифровых подстанций напряжением 110-220 кВ и узловых цифровых подстанций напряжением 35 кВ».
12. Куликов А. Л., Илюшин П. В. Статистические методы оценки параметров аварийного режима энергорайонов с объектами распределенной генерации // Электричество. 2019. № 5. С. 4-11.
13. Бездушный Д. И., Куликов А. Л. Формирование обобщенных признаков срабатывания релейной защиты на основе метода главных компонент // Релейная защита и автоматизация. 2019. Т. 34. № 1. С. 20-27.
14. Кузьмичев В. А., Коновалова Е. В., Сахаров С. Н., Захаренков А. Ю. Ретроспективный анализ работы устройств РЗА в ЕНЭС // Новое в российской электроэнергетике. 2014. № 7. С. 5-10
15. СТО 34.01-21-005-2019 «Цифровая электрическая сеть. Требования к проектированию цифровых распределительных электрических сетей 0,4-220 кВ».
16. Laaksonen H. J. Protection Principles for Future Microgrids // IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 25, 2010. P. 2910-2918.
17. Куликов А. Л., Бездушный Д. И. Анализ реализаций информационного подхода в релейной защите // Релейщик. 2016. № 2. С. 24-29.
18. Christopher M. Bishop. Pattern Recognition and Machine Learning. Berlin: Springer, 2006. 738 p.
19. Лямец Ю. Я. Романов Ю. В., Подшивалина И. С. Информационные аспекты обучения многомерной релейной защиты // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы Всерос. научно-технич. конф. Чебоксары : Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. C. 214-217.
20. Экспериментальная технология автоматического расчета параметров срабатывания (уставок) децентрализованной релейной защиты относительной селективности для электрических сетей [сайт]. URL: https://m-sets.ru
Дата поступления статьи в редакцию 12.08.2020, принята к публикации 14.09.2020.
Информация об авторах: ШАРЫГИН МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ,
доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Адрес: Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, 603155, Россия, Нижний Новгород, ул. Минина, 24 E-mail: sharygin.m.v@gmail.com Spin-код: 8315-3512
ВУКОЛОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Адрес: Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, 603155, Россия, Нижний Новгород, ул. Минина, 24 e-mail: vvucolov@mail.ru Spin-код: 4993-0312
ПЕТРОВ АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ,
руководитель отдела разработки РЗиА, АО «НИПОМ»
Адрес: АО «НИПОМ», 603140, Россия, Нижний Новгород, Проспект Ленина, 20 E-mail: petrov85@inbox.ru Spin-код: 3357-0300
Заявленный вклад авторов: Шарыгин Михаил Валерьевич: научное руководство.
Вуколов Владимир Юрьевич: проведение критического анализа материалов и формирование выводов. Петров Антон Александрович: написание окончательного варианта текста.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Fedoseev A. M. «Relejnaja zashhita jenergeticheskih sistem»: Uchebnik dlja vuzov [Relay protectionof power systems]. Moscow: «Jenergija», 1976. 560 p.
2. Ilyushin P. V., Pazderin A. V. Trebovaniya k delitel'noy avtomatike obMektov raspredelennoy generatsii s uchetom vliyaniya parametrov prilegayushchey seti i nagruzki [Requirements for dividing automation of distributed generation objects taking into account the influence of parameters of the adjacent network and load], Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie [Electricity. Transmission and distribution], 2018, No. 4 (49), pp. 42-47.
3. Vu Kh. Kh., Voropay N. I. Issledovaniya avariynykh rezhimov sistemy elektrosnabzheniya s raspredelennoy generatsiey i chastotno-reguliruemym elektroprivodom [Studies of emergency modes of the power supply system with distributed generation and frequency-controlled electric drive], Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Irkutsk state technical University] 2014, No. 11 (94), pp. 227-233.
4. Iljushin P. V., Muzalev S. G. Podhody k sozdaniju sistem upravlenija mikrojenegosistem [Approaches to creation of control systems of microecosystem], Relejnaja zashhita i avtomatizacija [Relay protection and automation]. 2016, No. 3, pp. 39-45.
5. Iljushin, P. V. Iljushin P. V., Nebera A. A., Fedorov O. A. Perspektivy razvitija i instrumenty avtomatizacii zadach jekspluatacii ustrojstv RZA [Prospects for the development of tools and automation tasks operation of relay protection devices], Relejnaja zashhita i avtomatizacija [Relay protection and automation]. 2017. No. 2 (27). pp. 28-37.
6. Koncepcija PAO «Rosseti», «Cifrovaja transformacija 2030» [Digital transformation 2030]. Moscow. 2018.
7. Nudel'man G. S., Onisova O. A. Relejnaja zashhita i avtomatika v uslovijah razvitija maloj raspredeljonnoj jenergetiki [Relay protection and automation in the development of small distributed energy], Jelektrojenergija. Peredacha i raspredelenie [Electricity. Transmission and distribution], 2014, No. 4, pp. 106-114.
8. Iljushin P. V., Kulikov A. L. Avtomatika upravlenija normal'nymi i avarijnymi rezhimami jenergorajonov s raspredelennoj generaciej [Automatic control of normal and emergency modes of power districts with distributed generation], Nizhnij Novgorod, 2019.
9. Chowdhury S., Chowdhury S. P., Crossley P. Microgrids and Active Distribution Networks, IET Renewable Energy series 6, The Institution of Engineering and Technology, 2009. 297 p.
10. Iljushin P. V. Analiz osobennostej vybora ustrojstv RZA v raspredelitel'nyh setjah s sobstvennymi generiru-jushhimi ob'ektami nebol'shoj moshhnosti [Analysis of the characteristics of choice relay protection in distribution networks with their own power generation facilities of small capacity], Jelektricheskie stancii [Power plant]. 2017, No. 9, pp. 29-34.
11. STO 34.01-21-004-2019 «Cifrovoj pitajushhij centr. Trebovanija k tehnologicheskomu proektirovaniju cifrovyh podstancij naprjazheniem 110-220 kV i uzlovyh cifrovyh podstancij naprjazheniem 35 kV» [Digital power center. Requirements for technological design of 110-220 kV digital substations and 35 kV node digital substations].
12. Kulikov A. L., Ilyushin P. V. Statisticheskie metody otsenki parametrov avariynogo rezhima energorayonov s ob"ektami raspredelennoy generatsii [Statistical methods for evaluating emergency mode parameters of energy districts with distributed generation facilities], Elektrichestvo [Electricity]. 2019. No. 5, pp. 4-11.
13. Bezdushnyy D. I., Kulikov A. L. Formirovanie obobshchennykh priznakov srabatyvaniya releynoy zash-chity na osnove metoda glavnykh komponent [Formation of generalized signs of relay protection operation based on the main component method], Releynaya zashchita i avtomatizatsiya [Relay protection and automation]. 2019, Vol. 34, No. 1, pp. 20-27.
14. Kuz'michev V. A., Konovalova E. V., Saharov S. N., Zaharenkov A. Ju. Retrospektivnyj analiz raboty ustrojstv RZA v ENJeS [A retrospective analysis of work of devices of relay protection and automation], Novoe v rossijskoj jelektrojenergetike [New developments in the Russian electric power industry]. 2014, No. 7, pp. 5-10
15. STO 34.01-21-005-2019 «Cifrovaja jelektricheskaja set'. Trebovanija k proektirovaniju cifrovyh raspredelitel'nyh jelektricheskih setej 0,4-220 kV» [Digital electrical network. Design requirements for digital distribution networks 0.4-220 kV].
16. Laaksonen H. J. Protection Principles for Future Microgrids, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 25, 2010, pp. 2910-2918.
17. Kulikov A. L., Bezdushnyy D. I. Analiz realizatsiy informatsionnogo podkhoda v releynoy zashchite [The analysis of implementation of the information approach in relay protection], Releyshchik [Relay driver], 2016, No. 2, pp. 24-29.
18. Christopher M. Bishop. Pattern Recognition and Machine Learning. Berlin: Springer, 2006, 738 p.
19. Lyamets Yu. Ya. Romanov Yu. V., Podshivalina I. S. Informatsionnye aspekty obucheniya mnogomernoy releynoy zashchity [Information aspects of multi-dimensional relay protection training], Informatsionnye tekhnologii v elektrotekhnike i elektroenergetike: materialy Vseros. nauchno-tekhnich. konf. [Information technologies in electrical engineering and power engineering: materials vseros. scientific and technical Conf ], Cheboksary: Publ. Chuvash. unta, 2010, pp. 214-217.
20. Jeksperimental'naja tehnologija avtomaticheskogo rascheta parametrov srabatyvanija (ustavok) decentral-izovannoj relejnoj zashhity otnositel'noj selektivnosti dlja jelektricheskih setej [sajt] [Jelektronnyj resurs]. Available at: https://m-sets.ru
The article was submitted 12.08.2020, accept for publication 14.09.2020.
Information about the authors: MIKHAIL VALERIEVICH SHARYGIN,
Dr. Sci. (Engineering), professor of the chair «Electricity, electricity and power electronics»
Address: Nizhny Novgorod State Technical University. R. E. Alekseeva, 603155, Russia, Nizhny Novgorod, Minin
str., 24
E-mail: sharygin.m.v@gmail.com
Spin-code: 8315-3512
VLADIMIR YURIEVICH VUKOLOV,
Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Electricity, electricity and power electronics»
Address: Nizhny Novgorod State Technical University. R. E. Alekseeva, 603155, Russia, Nizhny Novgorod, Minin
str., 24
E-mail: vvucolov@mail.ru Spin-code :4993-0312
ANTON ALEXANDROVICH PETROV,
Address: JSC «NIPOM», 603155, Russia, Nizhny Novgorod, Lenina ave., 20 E-mail: petrov85@inbox.ru Spin-code :3357-0300
Contribution of the authors: Mikhail V. Sharygin: research supervision
Vladimir Y. Vukolov: critical analysis of materials; formulated conclusions Anton A. Petrov: writing the final text
All authors have read and approved the final manuscript.
