CC BY
82
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ ELECTRICAL FACILITIES AND SYSTEMS
ДолгицерА. Dolgicers A.
доктор технических наук,
профессор, Энергетический институт, Рижский технический университет, Латвия, г. Рига
Антонов Д. Antonovs D.
доктор технических наук, научный сотрудник, Энергетический институт, Рижский технический университет, Латвия, г. Рига
Козадаев Е. Kozadajevs Je
магистр, научный сотрудник, Энергетический институт, Рижский технический университет, Латвия, г. Рига
Биела-Даилидовича Э. Biela-DaШdovicha E.
магистр, аспирант, Энергетический институт, Рижский технический университет, Латвия, г. Рига
УДК 621.316.925
УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ В ЛАБОРАТОРИИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Качество квалифицированных специалистов зависит от процесса обучения. Одна из наиважнейших частей этого процесса - применение теоретических знаний на практике. В современном процессе обучения применяются разнообразные виды программ - симуляторов. Студенты вводят в программу начальные данные; программа решает задачу, выдает ответы, создает диаграммы, но не дает возможность будущим специалистам реально увидеть на практике релейное оборудование и автоматику.
Один из лучших видов обучения - применение специализированных лабораторных стендов и комплексов в учебном процессе. Они вносят разнообразие в практические занятия и лабораторные работы, что оказывает положительное влияние на изучение нового материала и позволяет детальнее изучить микропроцессорные устройства автоматики, защиты и системы управления.
При помощи стенда возможно эффективно работать с виртуальными и реальными объектами и изучать новые технологии. Учебные стенды с комплексными возможностями моделирования объектов -это новый путь в процессе обучения. Реализуется проект по созданию стенда релейной защиты. Главные цели - повысить качество обучения, углубить практические навыки и заинтересовать студентов в освоении нового материала. Для создания нового учебного стенда необходимо обновить лабораторное оборудование. Создаваемый стенд предназначен для исследования направленной токовой защиты нулевой последовательности. С помощью стенда планируется проводить лабораторные работы, в ходе которых студентам будет дана возможность самостоятельно задавать параметры защиты и контролировать развитие событий при различных видах повреждений. Использование программируемого логического контроллера в качестве устройства симулирующего действие релейной защиты позволит студентам самостоятельно разрабатывать и проверять различные алгоритмы работы защит.
Ключевые слова: релейная защита, учебный стенд, логически программируемый контроллер
Электротехнические комплексы и системы TRAINING FACILITIES IN THE RELAY PROTECTION LABORATORY
The skills of trained professionals depend on the instruction process. One of the most important parts of this process consists in the application of theoretical knowledge in practice. The modern instruction process employs various types of simulation software. The students input initial data to the programme, which solves the problem, outputs the answers, constructs diagrams, yet it does not allow the future specialists to see protection relays and automation in real life.
One of the best types of instruction is the employment of specialised laboratory stands and complexes in the instruction process. They bring variety to the practical lessons and laboratory work, which has positive influence on the learning of the new material and makes it possible to study microprocessor automation devices, protection devices and control systems with greater detail.
The stand enables efficient work with virtual and real-life objects and studying of new technologies. Learning stands with complex opportunities of modelling objects constitute a new road in the instruction process. A project of a relay protection stand is being implemented. Its main goals are to improve the quality of instruction, to strengthen the practical skills and to arouse students' interest in the studying of the new material. To create a new learning stand, it is necessary to renew laboratory equipment. The new stand is foreseen for studying zero-sequence directional current protection. It is planned that the stand will be involved in laboratory work, during which students will have the opportunity, on their own, to set protection parameters and monitor the development of events in the case of various types of faults. Using a programmable logical controller as the device simulating the operation of the relay protection devices will enable the students to work out and check various protection operation algorithms on their own.
1. Введение
Качество квалифицированных специалистов зависит от процесса обучения. Одна из наиважнейших частей этого процесса - применение теоретических знаний на практике. В современном процессе обучения применяются разнообразные виды программ - симуляторов. Студенты вводят в программу начальные данные; программа решает задачу, выдает ответы, создает диаграммы, но не дает возможность будущим специалистам реально увидеть на практике релейное оборудование и автоматику.
Лучший вид обучения - применение специализированных лабораторных стендов и комплексов в учебном процессе. Они вносят разнообразие в практические занятия и лабораторные работы, что оказывает положительное влияние на изучение нового материала и позволяет детальнее изучить микропроцессорные устройства автоматики, защиты и системы управления.
При помощи стенда возможно эффективно работать с виртуальными и реальными объектами и изучать новые технологии. Учебные стенды с комплексными возможностями моделирования объектов - это новый путь в процессе обучения. Учебные стенды повышают заинтересованность студентов и эффективность обучения.
2. История развития учебных стендов
Оснащение учебных лабораторий в историческом развитии существенно изменилось. В начале 50-60 годов активно разрабатывались лабораторные стенды, где использовались реальные элементы, такие как двигатели, электромоторы, аппараты коммуникаций, электромагнитные реле и другие агрегаты. Благодаря этому эффективно повышался уровень практических навыков и знаний студентов. Главным недостатком лабораторного оборудования было то, что оно занимало много места, было сложным по структуре, трудно осматриваемым, не транспортабельным, а его функциональность была ограничена. Из-за больших размеров было невозможно показать общей вид работы автоматики.
В развитии электроники 80х годов на смену старым лабораторным стендам, начали поступать новые, компактные, цифро-аналоговые стенды, которые моделировали процессы, позволяя расширить спектр лабораторных работ и решаемых задач.
В результате, после обучения теории электромеханических приборов на цифро-аналоговых стендах, студенты могли исследовать работу автоматики, защит и влияние каждого отдельного элемента на систему в целом. Главным недостатком этих стендов было то, что алгоритм действия был создан на аппаратном уровне и был константным.
Как следствие, обучаемый фактически мог видеть один или два сценария работы автоматики.
В 90х годах началось быстрое развитие автоматики и защиты на базе микропроцессоров. Это было аналоговое, многофункциональное оборудование для обучения, которое было предназначено для моделирования различных сценариев, и имело адаптивный алгоритм работы. Все вышесказанное свидетельствует о том, что учебное пособие надо усовершенствовать до уровня развития, который соответствует потенциалу новых технологий.
3. Производство учебных стендов в наши дни
На сегодняшний день в странах, где высоко развита энергетика, создаются учебные стенды. В качестве примера можно привести немецкую фирму Lucas-Nuelle [2], которая предлагает высококачественные лабораторные стенды в области энергетики, такие как ЕРН-2 (рис. 1). На данном рисунке показан стенд по изучению солнечной энергии.
Рис. 1. Стенд ЕРН-2
Этот стенд (инертный многофункциональный лабораторный стенд) разработан для того, чтобы теорию связать с практикой, основываясь на компьютерной базе. Этот стенд позволяет проводить следующие эксперименты:
• проверить лучшее расположение солнечных батарей, их фиксацию и запись параметров;
• исследовать влияние теней, различные соединения солнечных батарей, монтаж и конфигурацию.
К сожалению, такие стенды очень дорогие и не имеют нужной функциональности, так как в зависимости от специфики учебного заведения выдвигаются разнообразные требования.
4. Компьютерное моделирование
Компьютерное моделирование - это процесс создания существующей или возможной логически-математической модели. Компьютерное моделирование включает в себя несколько стадий: создание модели, планирование и реализацию сценариев в экспериментах. Моделирование — это имитация реальной системы. В результате имитации получается система, которая может быть недоступна в реальной жизни или спектр влияний на нее будет недопустим.
Во многих инженерно-научных дисциплинах (особенно в автоматике) моделирование машин давно используются как неотъемлемая часть учебного процесса. В релейной защите и автоматике оценка состояния системы, как и задание рабочих уставок не обходится без моделирования. Неотъемлемая часть моделирования - ограничение ресурсов, что приводит к тому, что модель только частично отображает реальность.
Так как модель - это приближение к системе, она является абстрактным отображением. Создавая абстрактную модель, необходимо понимать конечные цели для чего создается модель.
Принимая решение о важности элемента в системе и о его включении в модель, надо учитывать цель создания модели. Качество моделирования зависит от того, насколько правильно выбраны ключевые элементы и организована связь между ними.
Моделирование обеспечивает необходимую эластичность для реализации детализированной и комплексной модели устройств. В одной модели могут быть использованы различные компоненты с высокой степенью детализации. Моделирование допускает интерактивную модель устройства от простого к сложному, проверяя и постепенно включая в модель новые элементы.
В реализации учебного стенда эффективней всего использовать смешанные непрерывные дискретные модели, в которых изменения могут меняться как дискретно, так и непрерывно. Поведение системы моделируется, суммируя непрерывные переменные с малыми дискретными интервалами времени и повторяющиеся временные величины, которые изменяется только в результате событий. С одной стороны, они лучше всего годны для компьютерной реализации. С другой стороны, они соответствуют реальным процессам, которые по своей сути являются аналоговыми процессами.
Смешанное моделирование рассматривает два основных параметра - время события и состояния события. К первому типу принадлежат такие
события, которыми используются в дискретных моделях. События второго типа планируются заранее и происходят тогда, когда переменная системы достигает определенного значения.
Диапазон использования модели зависит от того, насколько подробно модель отображает систему.
5. Задачи проекта учебного стенда
В качестве экспериментального примера в лаборатории автоматизации и моделирования энергосистем Института энергетики Рижского технического университета было решено создать учебный лабораторный стенд для изучения направленной токовой защиты нулевой последовательности.
При проектировании этого стенда были выдвинуты следующие требования:
• ознакомить студентов с термином направленная токовая защита нулевой последовательности;
• дать возможность моделировать разные сценарии коротких замыканий на землю;
• позволить студентам самим задавать параметры и следить за ходом событий в случае аварии;
• обеспечить простоту и надежность.
Принято, что в учебном стенде моделируется
сеть 110 кВ с двухсторонним питанием.
Конфигурация сети состоит из трех линий (рис. 3), которые образуют петлю, и двух независимых источников питания.
Рис. 2. Контроллер FX3U
В результате этого данная конфигурация проста и одновременно позволяет производить различные испытания в сети 110 кВ. В качестве двух независимых источников питания выбираются две системы с бесконечной мощностью, которые соединяются через трансформатор треугольник/звезда (заземленная). Соединение треугольником применяется для того, чтобы в нем замкнулся ток нулевой последовательности.
Чтобы показать наибольшее число возможных сценариев, в сети помещается 12 выключателей, с помощью которых можно менять конфигурацию сети.
В результате этого данная конфигурация проста и одновременно позволяет производить различные испытания в сети 110 кВ. В качестве двух независимых источников питания выбираются две системы с бесконечной мощностью, которые соединяются через трансформатор треугольник/звезда (заземленная). Соединение треугольником применяется для того, чтобы в нем замкнулся ток нулевой последовательности.
Чтобы показать наибольшее число возможных сценариев, в сети помещается 12 выключателей, с помощью которых можно менять конфигурацию сети.
1.шина 2.шина
Рис. 3. Схема сети
VI.Реализация проекта учебного стенда
Учебный стенд состоит из 3 основных блоков: моделирования сети, защиты и индикация. Блок моделирования и блок защиты созданы на базе программного логического контроллера. Блок индикации создается на базе светодиодных индикаторов.
Программный логический контроллер (PLC) - это микропроцессорное устройство без записанной в нем программы, применение которого ограничивается объемом памяти и скоростью работы.
Фактически PLC - это готовое оборудование для защиты и управления с загружаемыми алгоритмами работы. Учитывая низкую цену, PLC идеально подходит для базы лабораторного стенда.
Японская фирма Mitsubishi Electric выпускает контроллер PLC серии FX3U (рис. 2), который позволяет реализовать математические операции с плавающей точкой, что делает возможным использовать PLC как устройство моделирования сети и защиты.
В реальной жизни для защитных функций PLC не применяется из-за его медленной работы, но для учебного стенда быстродействие не нужно, поэтому он полностью подходит для учебного стенда.
Главная задача блока моделированиясети - расчет тока и напряжения нулевой последовательности,
которые появляются вследствие короткого замы-кашю на землю. Для реализации этого созданы 4 программы.В зави с им о сти от мзатаао вреждэнтл 41, 2, 3, 4 линии на стороне 3 (рис. 3)) начинает работать ттответэзвующая прттрамаа.Пр огртмма раяолоет зя методу узлавых ыотенриазоа. Взфоарамму записязы три матрицы: ЭДС матрица (Е), отражающая значения ЭДС (рис.ВО, узда вая л^аряица, отлЯражащщая конфигурацию сети, и матрица сопротивления (2), которая является матрицей сопротивлений ветвей в эувивалкнзттй схеме(рла.4).
Блок токового реле контролирует появление тока нулевой последовательности. Блок направления мощности контролирует направление тока нулевой последовательности. Блок задержки времени обеспечивает селективность работы защиты.
Блок токового реле реализован как орган сравнения текущего значения тока нулевой последовательности и значения уставок.
Блок реле направления мощности отслеживает угол между током и напряжением нулевой последовательности относительно места установки защиты (рис. 7).
Определение угла происходит по принципу вращения: вектора тока и напряжения шаг за шагом, в пределах ошибки поворачиваются в сторону определенного угла (например, на 5 градусов, пока не соединяются с реальной осью между первым и четвертым квадрантом, которая составляет 5%). Разницей между шагом каждого вектора является угол между вектором тока и напряжения (рис. 7). Данный метод позволяет ускорить процесс выполнения программами, и обойтись без сложных тригонометрических функций.
Рис. 4. Схема замещения
Методом Зейделя рассчитываются симметричные составляющие тока и напряжения, которые подаются на блок защиты и блок индикации.
Блок защиты реализует направленную токовую защиту нулевой последовательности для данной сети. Оборудование защиты устанавливается в конце и начале каждой линии. Каждая защита реализована в цифровой форме и состоит из 3 подблоков: реле тока, реле направления мощности и реле времени.
Принцип работы еблока защиты показан она рисунке 8.
^ Начало ^
/Матрицы: 7 M.Z.E /
Рис. 5. Матрицы ЭДС и сопротивления ветвей
Рис. 6. Алгоритм моделирования напряжения и тока
Блок защиты реализуется с помощью FBD (рис. 11). FBD является готовой структурой функциональных блоков, с помощью которой конструируется алгоритм данного устройства.
Многие фирмы, которые занимаются производством микропроцессорных защитных устройств,
такие как Siemens или General Electric, позволяют с помощью FBD создать пользовательский алгоритм работы, который адаптирует данное устройство для работы. Использование FBD позволяет расширить возможности учебного стенда, дает студентам не только готовые алгоритмы, но и позволяет создавать их самим, а также проверять их в реальном времени, так как загрузка программы занимает только несколько минут.
1ш
Для этого используется специальная 4 битовая передача данных (рис. 9).
/ Cfioaaee: 1,фД 7 /СТё, оаё, зааабжва/ [__эбэ| aie /
} г
ыбааасй аан ие заи есй
1 Г
IV. квадрант
Рис. 7. Поворот вектора
Дополнительно к блокам защиты и моделирования сети, в стенде имеется блок индикации, который позволяет проследить изменения значений токов нулевой последовательности, положения реле и включателей мощности.
Гёаа[ ау I бТаба 1 а
Рис. 9. Организация данных при помощи системы шин
Главная 4-х битовая шина, по которой подается сигнал ко всем индикаторам реле, и сигналы разрешения, которые подаются отдельно к каждому индикатору реле. Сигналы разрешения показывают к какому индикатору реле относится информация, которая идет по шине и разрешает или блокирует прием сигнала.
Для связи пользователя с PLC используем сенсорную панель. С панели вводятся параметры моделируемой схемы.
Рис. 10. Контроль состояния выключателя
На панели отображаются исходные данные, такие как напряжение, положения выключателей мощности и состояния реле. Рис. 10 показывает закладку в меню, которая отображает состояние выключателей мощности силового трансформаторов 1 и 2, как и напряжение на шинах 1 и 2 (рис. 3).
1 оёё Ю ^aiea
айёё Ю часёёу
Т
АТдабао
Рис. 8. Предложенный алгоритм работы защиты
7. Методика расчета параметров
Во время лабораторных работ студентам самим нужно рассчитать все данные и загрузить их в учебный стенд, чтобы потом оценить работу защиты.
Алгоритм расчетауставок следующий: ток срабатывания токового блока определяется из условия надежного срабатывания в случае повреждения в конце следующей линии и отстройки от тока небаланса. По первому определению I , =0,9 • 3 1„ ,
г J г nostrades ' 0k . min'
а после второй
Inostrades = 1.1 • Ulance, maX
где
1пЬ = kldnflI3k, где к1Йп в зависимости от параметров и мощности тока трансформатора выбирают от 0.5-1; £ - ошибка трансформаторов тока, (принята 0,1). 13к -это максимальное значение тока 3-х фазного замы-
Рис. 11. Часть блока защиты, реализованная на языке FBD
кания на следующей линии. Проверка чувствительности реализуется как к = 3 I. . / I ,, где 1„ - это
г . 0т1п nostrade' 0
минимальный ток нулевой последовательности при однофазном или двухфазном замыкании в конце второй линии. Надежность считается достаточной при к. >1,5.
Задержку времени направленной токовой защиты выбирают по принципу, что каждая защита отстраивается от близлежащей защиты, действующей в том же направлении.
Угол максимальной чувствительности для органа направления мощности принимает в соответствии с углом линии 110 кВ, что соответствует 70 градусам (рис. 12).
Все алгоритмы в учебном стенде используют идеальные сигналы, поэтому введение эффекта гистерезиса в органы тока не нужно, поэтому коэффициент возвращения принимается равным 1. 1т Ж
31,
Рис. 12. Зона срабатывания блока направления мощности
8. Применение стенда
Во время лабораторных работ студентам необходимо:
• задать параметры линий, трансформаторов, нагрузок;
• рассчитать уставки защит;
• загрузить их в учебные стенд.
Следующий шаг - проверка данных, проводя
несколько испытаний при различных конфигурациях сети. Необходимо убедится, что защита работает корректно во всех режимах.
9. Выводы
Предложенный учебный стенд экономически выгоден и широко применяется в учебном процессе для повышения качества учебного процесса. С небольшими финансовыми затратами, используя знания, практические навыки и опыт, создан стенд, у которого нет аналогов среди известных фирм производителей.
Лабораторный стенд - это ручная работа и его можно совершенствовать и дорабатывать, а также применять соответственно нуждам потребителей. Именно поэтому данный стенд имеет ценность.
Со временем планируется интегрировать стенд в процесс обучения, проверить и доказать его эффективность.
Список литературы
1. Papkovs B. Elektromagnetiskie parejas procesi elektriskas sistemas [Text] / B. Papkovs, I.Zicmane. -Riga : RTU Izdevniciba, 2007. - 307 p.
2. Electrical Power engineering [Text]. - LucasNulle, 2009.
3. Salvandy Gabriel. Fear Factors [Text] / Gabriel Salvandy. - Purdue University, 1991.
4. Graybeal ^./Simulations: principles and methods [Text] / W. J Graybeal, U.V. Pooch. -Cambridge, MA: Winthrop, 1980. - 249 p.
5. Russell E.S. Building simulation models [Text] / E.S. Russell. - Los Angeles, CA, 1983.
6. Series Melsec FX3U manual [Text]. - Mitsubishi Electric, 2009.
7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники [Text] / Л.А. Бессонов. - Москва, 1996. -638 с.
8. Чернобровов Н.В. Релейная защита [Текст] / Н.В. Чернобровов. - М., Энергия, 1971. - 624 с.
References
1. Papkovs B. Elektromagnetiskie pärejas procesi elektriskäs sistemas [Text] / B. Papkovs, I.Zicmane. -Riga : RTU Izdevniciba, 2007. - 307 p.
2. Electrical Power engineering [Text]. - LucasNulle, 2009.
3. Salvandy Gabriel. Fear Factors [Text] / Gabriel Salvandy. - Purdue University, 1991.
4. Graybeal W. J. Simulations: principles and methods [Text] / W.J Graybeal, U.V. Pooch. - Cambridge, MA: Winthrop, 1980. - 249 p.
5. Russell E.S. Building simulation models [Text] / E.S. Russell. - Los Angeles, CA, 1983.
6. Series Melsec FX3U manual [Text]. - Mitsubishi Electric, 2009.
7. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy jelektro-tehniki [Text] / L.A. Bessonov. - Moskva, 1996. - 638 p.
8. Chernobrovov N. V. Relejnaja zashhita [Text] / N.V. Chernobrovov. - M., Jenergija, 1971. - 624 p.
Андреева Е.Г. Andreeva E.G.
доктор технических наук, профессор кафедры «Электрическая техника», ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет», Россия, г. Омск
Семина И.А. Semina I.A.
старший преподаватель кафедры «Электрическая техника», ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет», Россия, г. Омск.
Демин А.В. Demin A. V.
аспирант кафедры «Электрическая техника»,
ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет», Россия, г. Омск
УДК 621.313.2:537.6/.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНЦЕНТРАТОРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ В КОМПЛЕКСЕ
ПРОГРАММ ANSYS MAXWELL
Программа ANSYS Maxwell - программа комплексного моделирования электромагнитного поля при разработке и анализе 3D/2D-систем, таких как двигатели, приводы, трансформаторы и другие электрические и электромеханические устройств том числе магнитные системы открытого типа, использующи-
