автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Анализ и прогнозирование аварийных режимов систем электроснабжения с учетом действия релейной защиты

КОНТРОЛЬНЫЙ

ЭКЗЕШи

-Нагтфавах рукописи

НИКОЛАЕВ Николай Александрович

АНАЛИЗ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.ш

2 3 ИЮН 2011

Магнитогорск - 2011

4850631

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

МАЛАФЕЕВ Алексей Вячеславович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

САЛТЫКОВ Валентин Михайлович

кандидат технических наук, доцент КОПЦЕВ Леонид Алексеевич

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет», г. Челябинск

Защита состоится 1 июля 2011 г. в 0_ часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « Л » ¿иа$ 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.111.04, к.т.н., доцент

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Система электроснабжения современного крупного предприятия представляет собой сложный комплекс электроэнергетических устройств, включающий местные электростанции, питающие и распределительные сети напряжением 110-220 кВ, десятки понизительных подстанций. В отличие от сетей районных энергосистем, на ограниченных территориях промышленных предприятий сосредоточены потребители большой мощности. Сети 110-220 кВ, работающие по сложнозамкнутым схемам, имеют сравнительно небольшую длину линий, а распределение передаваемых мощностей в них может меняться в широких пределах в нормальных и ремонтных режимах с целью снижения потерь электроэнергии, регулирования напряжения, ограничения токов короткого замыкания.

Для предотвращения аварийных режимов в таких сетях широкое применение находят защиты с абсолютной и относительной селективностью: дифференциально-фазные, дистанционные ступенчатые, токовые направленные и ненаправленные ступенчатые от междуфазных и однофазных коротких замыканий. В последнее время проводятся работы по модернизации устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), замене электромеханических и аналоговых устройств на микропроцессорные терминалы. Высокое быстродействие и большое количество ступеней дают возможность осуществить более точную настройку параметров срабатывания, обеспечить селективность и повысить степень резервирования, улучшить чувствительность РЗиА при изменении схем распределительных сетей и режима системы электроснабжения.

Надежность работы защитных и автоматических устройств в значительной мере определяет надежность работы всей системы электроснабжения. Селективное отключение коротких замыканий органами защиты способствует локализации развития аварий, что позволяет снизить материальный ущерб от перерывов электроснабжения. Статическая и динамическая устойчивость генераторов и крупных синхронных и асинхронных двигателей определяется в первую очередь быстродействием устройств релейной защиты и автоматики, а также правильным выбором уставок срабатывания, согласованием действия различных систем автоматики в процессе развития и ликвидации аварии.

Актуальной задачей в области управления и защиты электроустановок является разработка математических моделей устройств релейной защиты и автоматики, согласование разработанных моделей с принципами расчета установившихся и переходных режимов систем электроснабжения, оценка селективности, быстродействия и чувствительности работы релейной защиты и автоматики при различных аварийных режимах.

Следует отметить, что районные диспетчерские управления определя-

ют уставки срабатывания релейной защиты, исходя из обеспечения устойчивой работы районной энергосистемы, при этом допускается отключение части нагрузки. В связи с этим необходимо корректировать в условиях промышленного предприятия выданные уставки с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей.

Степень научной разработанности проблемы

Вопросы анализа электромагнитных переходных процессов рассмотрены в работах A.A. Горева, H.H. Щедрина, С.А. Ульянова, Д.А. Городского, Р. Рюденберга, К. Парка, К. Вагнера, Р. Эванса и др. Основные методы моделирования элементов энергосистем и систем электроснабжения изложены в работах P.A. Лютера, Ю.Е. Гуревича, Ф.Г. Гусейнова, С.И. Гамазина, С.А. Цырука и ряде других. Проблеме динамической устойчивости при коротких замыканиях посвящены труды В.А. Веникова, П.С. Жданова, Э. Ким-барка, И.М. Марковича, В.А. Баринова, а также других отечественных и зарубежных ученых. Как показывает анализ литературных источников, практически не рассматриваются вопросы расчета и анализа электромеханических и электромагнитных переходных процессов с одновременным контролем параметров срабатывания устройств релейной защиты с целью оценки эффективности их действия в сложных системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями, а также вопросы математического моделирования защит в расчетах переходных аварийных режимов.

Целью работы является повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, за счет прогнозирования развития аварийных режимов и повышения эффективности действия релейной защиты.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математические модели устройств релейной защиты, предназначенные для контроля параметров режима и изменения оперативного состояния схемы в процессе расчета.

2. Создать алгоритм расчета переходных режимов при различных видах коротких замыканий и их последующем отключении в результате действия релейной защиты, дающий возможность рассчитывать мгновенные значения параметров электромагнитного переходного процесса, режимы асинхронного хода генераторов и позволяющий оценивать селективность, быстродействие и чувствительность релейной защиты в системах электроснабжения со слож-нозамкнутыми сетями и несколькими собственными электростанциями.

3. Осуществить программную реализацию разработанных алгоритмов.

4. Провести анализ селективности релейных защит с относительной селективностью для коротких замыканий на шинах узловых подстанций и собственных электростанций Магнитогорского энергетического узла (МЭУ) в случае вывода или отказа быстродействующих защит, оценку быстродействия и

чувствительности всех видов защит.

5. Разработать предложения по повышению эффективности действия релейной защиты сетей 110-220 кВ ОАО «ММК».

Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирования. Исследования проводились с помощью оригинального программного обеспечения.

Достоверность и обоснованность научных результатов выводов и рекомендаций подтверждается:

1. Соответствием результатов вычислительного эксперимента осциллограммам аварийных отключений.

2. Корректным использованием методов последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов, а также апробированных математических пакетов обработки экспериментальных данных.

3. Использованием реальных технических характеристик оборудования.

Научная новизна.

1. Разработан усовершенствованный алгоритм расчета переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях и их отключениях с учетом действия релейной защиты в системе электроснабжения с собственными электростанциями, позволяющий службам РЗиА и оперативно-диспетчерскому персоналу прогнозировать развитие аварийных режимов и оценивать эффективность работы релейной защиты. Алгоритм предусматривает расчет мгновенных значений параметров переходного процесса для определения условий срабатывания защит, работающих на принципе косвенного сравнения параметров режима, и расчет режима асинхронного хода генераторов местных электростанций при несимметричных коротких замыканиях, позволяющий выявить условия ложного срабатывания защит, реагирующих на качания. Алгоритм дает возможность осуществлять контроль условий срабатывания различных видов релейных защит и изменять оперативное состояние схемы непосредственно в ходе расчета.

2. Разработана методика комплексной оценки эффективности релейной защиты, включающая оценку селективности, чувствительности, а также быстродействия защит по критерию сохранения устойчивости генераторов местных электростанций и высоковольтных двигателей, позволяющая выбирать параметры срабатывания релейной защиты в сложнозамкнутых сетях промышленных предприятий с несколькими собственными источниками электроэнергии и узлами примыкания к энергосистеме.

3. Созданы математические модели устройств релейной защиты сетей 110220 кВ на различной элементной базе, предназначенные для совместного ис-

пользования с разработанным алгоритмом расчета переходных режимов и позволяющие на основе первичных значений параметров аварийных режимов формировать вторичные значения требуемых параметров срабатывания в зависимости от схемы включения измерительных трансформаторов, схемы включения и принципа действия измерительных органов, логики действия защит.'

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданный программный комплекс дает возможность осуществить анализ селективности действия защит, оценить быстродействие устройств РЗ по критерию сохранения динамической устойчивости, провести их проверку по чувствительности при любых видах коротких замыканий.

2. Разработанные применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» предложения по повышению эффективности релейной защиты позволяют снизить ущерб от недовыработки электроэнергии собственными электростанциями предприятия в результате избыточной работы релейной защиты, а также уменьшить недовыпуск продукции за счет повышения надежности электроснабжения потребителей.

3. Разработанный программный комплекс позволяет осуществлять прогнозирование последствий аварийных режимов и выполнять оперативную коррекцию уставок релейной защиты и может быть использован в составе автоматизированного рабочего места инженера по расчету и анализу режимов в условиях системы электроснабжения любого промышленного предприятия с собственными источниками электроэнергии.

Реализация результатов работы.

1. Разработано программное обеспечение расчета переходных аварийных режимов в системах электроснабжения с местными электростанциями с учетом действия устройств релейной защиты. Программное обеспечение прошло государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №2010617441 от 11.11.2010 г.).

2. Создана база данных по устройствам релейной защиты сетей напряжением 110-220 кВ ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», предназначенная для использования совместно с разработанным программным комплексом.

3. Программа для ЭВМ опробована в группе режимов центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) и оперативно-производственном участке цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК», получила положительное заключение и внедрена в практику эксплуатации.

4. Разработаны и внедрены мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить ущерб от простоев технологического оборудования основных цехов в результате избыточной работы релейной защиты, снизить

вероятность отделения собственных электростанций ОАО «ММК» от энергосистемы с полной их остановкой и уменьшить недоотпуск электроэнергии в сети ОАО «ММК». Фактический экономический эффект от внедрения программного комплекса составляет 2120,5 тыс. руб. в год. 5. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения» и «Переходные процессы в электроэнергетических системах», при курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» и направления 140200 «Электроэнергетика».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические модели устройств релейной защиты с абсолютной и относительной селективностью в сетях напряжением 110-220 кВ на различной элементной базе.

2. Алгоритм расчета и анализа переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях с учетом изменения оперативного состояния схемы в результате работы релейной защиты, включающий расчет мгновенных значений параметров переходного процесса и расчет асинхронного хода генераторов местных электростанций.

3. Методика оценки эффективности релейной защиты в системе электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями на основе критериев селективности, чувствительности и быстродействия с учетом сохранения устойчивости генераторов.

4. Результаты анализа работы релейной защиты в аварийных режимах, проведенных на основе разработанных алгоритма и методики в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».

Апробация работы

Основные положения диссертации обсуждались на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), VIII и X Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С.-Петербург, 2009 г., 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.), 67-й научно-технической конференции МГТУ и ММК (г. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й и 69-й межрегиональных конференциях «Современные проблемы науки и образования» (г. Магнитогорск, 2010,2011 гг.).

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электроснабжения промышленных предприятий института энергетики и автоматики ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (май 2011 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 95 наименований и двух приложений. Объем работы включает 159 страниц основного текста, в том числе 40 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика работы и названы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ состояния дел и обзор исследований в области прогнозирования аварийных режимов электроэнергетических систем, моделирования устройств РЗ, методов расчета электромагнитных и электромеханических переходных процессов, методов расчета режимов несимметричных КЗ; программных комплексов расчета режимов.

Анализ показал, что практически отсутствуют алгоритмы расчета переходных режимов систем электроснабжения с собственными электростанциями в комплексе с действием РЗ, в том числе при выходе на раздельную работу. Математические модели РЗ, допускающие использование их с методами численного интегрирования, разработаны недостаточно. Практические методы расчета не позволяют совместно с электромеханическим процессом анализировать характер изменения мгновенных значений параметров симметричных и несимметричных режимов, а также асинхронный ход при несимметричных КЗ. Следует также отметить отсутствие программного обеспечения расчета режимов, ориентированного на системы электроснабжения с местными электростанциями и позволяющего учесть действие РЗ.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей релейной защиты с относительной и абсолютной селективностью, позволяющих в ходе расчета переходного аварийного режима осуществлять проверку условий срабатывания и возврата с изменением оперативного состояния схемы.

В работе созданы математические модели РЗ с относительной селективностью (защиты линий - токовые ступенчатые, дистанционные (ДЗ), защиты нулевой последовательности (ТЗНП); защиты автотрансформаторов -обратной последовательности, дистанционные, ТЗНП) и с абсолютной селективностью (дифференциально-фазные и направленные фильтровые, дистанционные защиты линий с ВЧ-блокировкой, дифференциальные защиты автотрансформаторов), Наибольшую сложность при согласовании уставок РЗ смежных элементов сети представляют защиты с относительной селективностью. При этом правильный выбор уставок по времени необходим для обеспечения как селективности, так и устойчивой работы местных генераторов.

Наиболее сложное математическое описание имеют дистанционные защиты. Условием срабатывания является попадание расчетной точки в область, ограниченную характеристикой срабатывания, которая задается системой неравенств. На рис. 1 дана характеристика для ШЭ 2607 011021; (1) и (2) - системы неравенств для направленной и ненаправленной второй ступени. 'х<,Х\

90^)' (1) г + Д 4 '

-90°)'

х<,Х\ хгх.

х<,

х£

си> „

Г-Д

^(90° г + Я

ггорм Н«НШрШ11НН1

ступень

■У

Рис. 1. Характеристика срабатывания ШЭ 2607 011021

Здесь г их -значения активного и реактивного сопротивлений, Ом; Я, Х- значения уставок, Ом; Хы - смещение в III квадрант по оси реактивных сопротивлений, Ом; (¡) - угол наклона характеристики соответствующей зоны.

Созданные математические модели позволяют контролировать параметры режима и их изменение во времени в ходе расчета переходного процесса и при выполнении условий срабатывания пусковых органов с учетом уставки по времени и полного времени отключения выключателей изменять состояние схемы, а, следовательно, ход расчета.

В третьей главе дано описание алгоритмов расчета электромеханических и электромагнитных переходных процессов и режимов асинхронного хода в системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями при КЗ любого вида, методики оценки эффективности РЗ с учетом динамической устойчивости синхронных машин. Рассмотрены вопросы математического моделирования элементов системы электроснабжения в задаче анализа аварийных режимов.

Учет действия РЗ при расчете режима выражается в изменении положения выключателей и, следовательно, в изменении конфигурации сети и в скачкообразных изменениях электромагнитных мощностей машин переменного тока. Таким образом, действие РЗ определяет устойчивость системы в аварийных режимах и должно быть учтено при их расчете.

Алгоритм расчета переходных процессов основан на сочетании метода последовательного эквивалентирования для расчета режима в фиксированный момент времени и метода последовательных интервалов для определения приращения параметров режима (рис. 2), позволяющего учесть действие регуляторов и РЗ. Это позволяет свести расчет на каждом шаге к взаимодействию одномашинной системы с эквивалентными характеристиками остальной части системы, полученными при расчете установившегося режима, взамен решения системы уравнений, что значительно снижает время счета.

Расчет режимов несимметричных КЗ необходим для выбора уставок и проверки РЗ по чувствительности, для чего необходимо знать распределение токов фаз и симметричных составляющих по схеме. Предлагается расчет сверхпереходных значений выполнять при помощи модифицированного метода последовательного эквивалентирования. Расчет производится для схем замещения последовательностей без составления комплексной схемы. Значения напряжений йк в точке КЗ определяются исходя из граничных условий с соблюдением 0КО + икх + иК2 = 0. Схемы замещения формируются для каждой из последовательностей. Функции балансирующего узла выполняет точка КЗ, в которой задаются напряжения ико, йК1 и йК2 поочередно с последующим определением параметров режима. Фазные значения определяются по методу симметричных составляющих. Разработанный алгоритм позволяет определять параметры режима во всех элементах сети, обладая лучшей сходимостью по сравнению с широко распространенными методами.

При математическом моделировании РЗ с косвенным сравнением параметров режима необходимо определять как действующие, так и мгновенные значения токов и напряжений, что затруднительно для систем электроснабжения сложной конфигурации. Разработанная методика позволяет определять мгновенные значения токов и напряжений в любой точке сети. Действующие значения и углы между векторами токов и напряжений во всех точках сети определяются из доаварийного режима. Затем рассчитывается установившийся режим короткого замыкания, из которого определяются аналогичные значения. Далее расчет ведется с помощью метода последовательных интервалов. Так, периодическая составляющая тока фазы А в нормальном режиме работы в любой точке сложнозамкнутой сети определяется:

¿^=л/2/„зт (ех+а-<рИ), (3)

где /н - действующее значение тока в нормальном режиме работы; <рн

- угол между током и напряжением в нормальном режиме работы. Периодический ток в аварийном режиме в любой точке сети:

'ж = sin(ü>/+а-z(t>А)-<рк) , (4)

где 1К - действующее значение тока в аварийном режиме работы; <рк -

угол между током и напряжением в аварийном режиме работы.

При срабатывании РЗ меняется схема сети, что приводит к возникновению апериодических составляющих. Их начальные значения определяются разностью мгновенных значений полного тока аварийного режима и периодического тока послеаварийного режима. При несимметричных режимах для определения мгновенных значений полных токов предварительно определяются мгновенные значения периодического тока в доаварийном режиме, а также для прямой, обратной и нулевой последовательностей в первый момент КЗ. Начальное значение апериодической слагающей определяется как разность мгновенных значений начального тока и тока особой фазы.

Для оценки действия РЗ в наихудших для ее работы условиях - минимальный режим работы системы в сочетании с несимметричным КЗ - необходим расчет режима асинхронного хода при любом виде несимметричного КЗ. В результате взаимодействия обмоток ротора и магнитных потоков статора могут быть получены две асинхронные мощности, o.e.:

и-

1 1

V-v

f 7"

"dj

и-

J_ /

х,

с Г"

■Над <f

flcOl(n)

Р

'асОЦп)

1«Г

4L

4

р 7"

02(я) rf

' J

i+iw^T

4L

4

1 1

гтчй

>02(л) d

(5)

(6)

1+w

где U0 - напряжение нулевой последовательности на шинах обмотки статора, o.e.; j01,ira - скольжения ротора машины относительно магнитных потоков, создаваемых токами нулевой последовательности, которые в общем случае могут быть определены, o.e., как j01 = [шт - еас)/ сос, s02 = (а>г + а>с)/ас.

Полная асинхронная мощность на рассматриваемом интервале, o.e.:

^ас(п) = РцсЦп) + РвсЦп) + /U.) + ^асЩп) ' О)

При оценке эффективности РЗ в сложнозамкнутых сетях предприятий необходимо учитывать критерии чувствительности, селективности и быстродействия. Критерий отсутствия качаний и сохранения динамической устойчивости, как правило, не учитывается при расчете уставок. Однако при исследовании защит с относительной селективностью, а также при электричес кой близости к точке КЗ синхронных машин большой мощности данным кри-

( Начало) У -_

Ввод исходных данных

Расчет начального установившегося режима

Определение на 1 интервале:

Б„. Ел,5. о. ЕГ. ЕУ, ,й. <5*. г/,. /, +

Расчет сверхпер сходного режима КЗ

V

Определение небалансов навалу машин

Эпреяеяеннепрнращенняугаароторана 1 интервале _

(X)—Дляп временных интервалов )-

| Расчет нового установившегося режима | ¡Определение небаланса мощностей на валу]

Определение приращения параметров

АР. Ъ, .-Ь, ,.+¿5» 1

314 лГ

Изменение мощности за счет паровых объемов

ениемошност

Определение асшпронныхмощностен: _ и'( 1 11 -а , .

Определяются переходные (сверхпереходные) ЭДС:

При наличии форснроякн:

; _

ОпределяютсятокннЭДС генераторов: .

Определение частоты с учетом статических характернсппсгенераторов и регулирующего эффекта нагрузки

В новыйрасчет генератор задается величинами: Зсо - *

е ^п)

"Т" ®

(Конец )

Рис. 2. Алгоритм расчета переходного аварийного режима

терием пренебрегать недопустимо. В связи с этим предложена методика оценки эффективности действия РЗ в системах электроснабжения с местными электростанциями с учетом нарушения устойчивости синхронных машин, основанная на разработанных алгоритмах и методиках (рис, 4).

В четвертой главе произведена оценка эффективности РЗ сетей 110220 кВ Магнитогорского энергетического узла. МЭУ является одним из наиболее сложных объектов промышленной энергетики, включающим в себя сети 110-220 кВ, 11 линий связи с энергосистемой и собственные электростанции ОАО «ММК» - ТЭЦ (330 МВт), ЦЭС (191 МВт), ПВЭС (107 МВт). Сеть 110-220 кВ имеет сложнозамкнутую конфигурацию (рис. 3), что в сочетании с местными электростанциями приводит к сложности протекания аварийных режимов и большому разнообразию РЗ.

Рис. 3. Упрощенная схема Магнитогорского энергетического узла

Преобладание линий малой длины приводит к сложности согласования уставок токовых и дистанционных защит смежных участков и большой вероятности неселективной работы. Наиболее часто срабатывают ТЗНП (34,3 %), ДЗ (16,2 %), отсечка (13,7 %), дифференциальная защита (12,7 %), ДФЗ (12,4%). Наибольшая доля срабатываний приходится на сети ПОкВ (рис. 5), что объясняется их наибольшей протяженностью. Соотношение между количеством случаев срабатывания защит с абсолютной и относительной селективностью в течение рассматриваемого периода сохраняется (рис. 6). Неселективная работа РЗ наблюдается примерно в 20% аварийных ситуаций.

Разработано программное обеспечение, с его помощью для оценки эффективности РЗ был проведен анализ режимов при 3-, 2- и 1-фазных КЗ.

Начало^)

Ввод исходных данных и уставок РЗ. рассчитанных по существующим методикам

Расчет начального установившегося режима Фиксирование повреждения в схеме

_4_

Расчетнового установившегося режима

Расчетначалъных значений переходных (сверхпереходных) ЭДСи углов роторов

Необходимо скорректировать уставки до параметрам режима

Необходимо скорректировать уставки по параметрам режима и _по времени_

Необходимо скорректировать уставки _по времени_

"С

Защита работает эффективно и дополнительных мероприятайне требуется

(^Конец)

Рис. 4. Методика оценки эффективности действия релейной защиты с учетом возможности нарушения

устойчивости синхронных генераторов

35 30

Гя -5

я

а 20 \

р и

\ 10 «

5 0

б*

и 220 кВ «ПОкВ

/у // # ^ /

Рис. 5. Частота срабатывания защит в сетях 110-220 кВ

Рис. 6.

Анализ работы РЗ показал, что в ряде случаев селективность работы защит не обеспечивается. Наблюдается излишнее отключение параллельных линий и завышенное время срабатывания на секционных и шиносоедини-тельных выключателях. Имеет место выход из синхронизма, что говорит о недостаточном быстродействии.

Рассмотрим характерный случай. При КЗ на шинах ПС-30 защита работает неселективно, т.к. в результате избыточного отключения линии ПС-87-ЦЭС происходит выход ЦЭС на раздельную работу (расчетные кривые для генераторов ЦЭС приведены на рис. 7). Для предотвращения неселективной работы предлагается принять меньшее время срабатывания защиты ШСВ ПС-30 (меньше 0,1 с). При уставке по времени 1 ступени ненаправленной токовой защиты ШСВ 0,08 с обеспечивается селективная работа, однако быстродействие недостаточно, наблюдается выход из синхронизма (рис. 8).

Динамика работы защит в сети 110 кВ с 2006 по 2010 гг.

тзнп дз

Отсечка

.....—(

2010г

Дпфлащша ДФЗ

уставках

Рис. 8. Углы генераторов в результате коррекции уставки по времени ненаправленной токовой защиты на ШСВ

Для обеспечения быстродействия работы защит предлагается уменьшить уставку по времени первой зоны дистанционной защиты АТ-1,2 ПС-30 до 0,3 с, а также уменьшить уставку первой зоны дистанционной защиты линии ПС-30 - ПС-60 (ф. 60-43) до 0,3 с и второй зоны - до 0,5 с. Предложенные мероприятия позволяют обеспечить быстродействие отработавших защит, т.к. сохраняется динамическая устойчивость генераторов собственных электростанций МЭУ. Из рис. 9 видно, что нарушается устойчивость только у ТГ-1 ЦЭС, который после двух проворотов втягивается в синхронизм.

Для защит с абсолютной селективностью характерно многократное превышение коэффициентов чувствительности пусковых органов над величинами, приведенными в ПУЭ, что при преобладании коротких линий может привести к одновременной их работе на нескольких участках. Дистанционные органы направленных фильтровых защит допускают работу «за спиной». На основании анализа работы РЗ даны рекомендации по коррекции уставок. В частности, рекомендовано уменьшить уставку по времени дистанционной защиты на ШСВ с 0,12 с до 0,08 с, уменьшить уставку по времени токовых защит на СВ 110 кВ ЦЭС с 0,3 с до 0,02 с; на токовых защитах ЛЭП, отходящих с шин 110 кВ ПС-63, ввести уставку по времени 0,3 с и направленность, на ШСВ ЦЭС снизить уставку по току с 17000 А до 8000 А и др. Эффективность подтверждена актом внедрения.

6 1 2 3 4 |с 5

Рис. 9. Углы генераторов после коррекции уставок АТ-1,2 ПС-30 и линии

ПС-30-ПС-60

Результатами являются снижение ущерба от простоев технологического оборудования и снижение недовыработки электроэнергии в сети ОАО «ММК». Фактический экономический эффект 2120,5 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе собственные источники электроэнергии и сложнозамкнутые сети, за счет прогнозирования протекания аварийных режимов с целью обеспечения селективности, быстродействия и чувствительности релейной защиты, позволяют сформулировать следующие результаты:

1. Предложены математические модели устройств релейной защиты сетей 110-220 кВ, учитывающие особенности их аппаратной и алгоритмической реализации и позволяющие контролировать параметры режима сети, а также первичные и вторичные параметры срабатывания.

2. С целью оценки селективности, быстродействия и чувствительности релейных защит разработан усовершенствованный алгоритм расчета переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях, отличающийся возможностью определения мгновенных значений токов для оценки работы защит с косвенным сравнением параметров режима и расчета режима асинхронного хода при коротких замыканиях любых видов, и позволяющий изменять схему сети в ходе расчета при выполнении условий срабатывания пусковых органов защит.

3. Разработана методика оценки эффективности релейной защиты сложно-замкнутых питающих и распределительных сетей напряжением 110-220 кВ систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями и несколькими узлами связи с энергосистемой.

4. Разработан и отлажен программный комплекс, позволяющий проводить

расчет и анализ переходных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом действия релейной защиты и проводить коррекцию уставок срабатывания. Программный комплекс опробован и внедрен в группе режимов центральной электротехнической лаборатории и диспетчерской службе цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК». Получено свидетельство о государственной регистрации программы №2010617441 от 11.11.2010.

5. При помощи созданного программного комплекса с целью апробации разработанных алгоритмов и методик осуществлен анализ аварийных режимов в электрических сетях 110-220 кВ ОАО «ММК», выполнена оценка селективности, быстродействия и чувствительности работы релейной защиты в рассмотренных режимах, разработаны и внедрены мероприятия по повышению эффективности работы защит. Фактический экономический эффект составляет 2120,5 тыс. руб. в год за счет сокращения простоев и снижения недовыработки электроэнергии собственными электростанциями предприятия.

6. Разработанные методика и программный комплекс могут быть рекомендованы для служб релейной защиты крупных промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, независимо от отрасли промышленности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в ведущих периодических изданиях из перечня ВАК РФ

1. Заславец Б.И., Игуменщев В.А., Николаев H.A., Малафеев A.B., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н. Анализ переходных процессов в системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями в режимах выхода на раздельную работу после короткого замыкания// Изв. вузов. Электромеханика. - 2009. - №1. - С. 60-65.

2. Игуменщев В.А., Николаев H.A., Малафеев A.B., Буланова О.В. Оценка действия релейных защит в системах электроснабжения с местными электростанциями по условиям селективности и сохранения устойчивости// Изв. вузов. Электромеханика. - 2009. - №1. - С. 66-71.

3. Николаев H.A., Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Буланова О.В., Конд-рашова Ю.Н., Панова Е.А., Баринова Е.К., Губина O.A. Математическое моделирование высокочастотных релейных защит в сетях напряжением 110220 кВ с местными электростанциями// Главный энергетик. - 2011. - №3. -С. 19-25.

Публикации в прочих изданиях

4. Николаев H.A., Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Белышев В.Ю., Набатов В.В. Анализ селективности резервных релейных защит узла подстанции №30 ОАО «ММК» по результатам расчета переходных режимов системы электроснабжения// Материалы 66-й науч.-техн. конф. МГТУ-ММК: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - С. 73-76.

5. Игуменщев В.А., Николаев H.A., Малафеев A.B., Буланова О.В., Заброд-ская О.В., Загора А.О. Оценка эффективности действия релейных защит с относительной селективностью в условиях магнитогорского энергоузла// Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Тольятти: ТГУ, 2009. - Ч. 2. - С. 166-169.

6. Малафеев A.B., Буланова О.В., Панова Е.А., Григорьева М.В., Николаев H.A. Расчет токов и остаточных напряжений при несимметричных коротких замыканиях методом последовательного эквивалентирования// Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Тольятти: ТГУ, 2009. - Ч. 2. - С. 208-211.

7. Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Буланова О.В., Загора А.О., Заброд-ская О.В., Николаев H.A. Анализ эффективности релейных защит с относительной селективностью в питающих и распределительных сетях ОАО «ММК» 110-220 кВ// Материалы 67-й науч.-техн. конф. МГТУ-ММК: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - Т. 2. - С. 70-73.

8. Буланова О.В., Малафеев A.B., Ротанова Ю.Н., Николаев H.A., Кривоногое В.А., Ермак A.C. Моделирование дифференциально-фазных высокочастотных защит при исследовании динамической устойчивости систем электроснабжения предприятий// Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование, промышленность: Сб. тр. XIII междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 101-102.

9. Заславец Б.И., Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н., Николаев H.A. Расчет мгновенных значений токов короткого замыкания в системах электроснабжения сложнозамкнутой конфигурации// Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов, аспирантов. - Тольятти: ТГУ, 2009.-С. 54-57.

10. Николаев H.A. Особенности режимов Магнитогорского энергетического узла в условиях экономического кризиса// Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. студ., магистрантов, аспирантов. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С. 130-132.

11. Заславец Б.И., Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н., Николаев H.A. Исследование эффективности действия релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения металлургических предприятий// Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. -Вып. 17. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 94-95.

12. Николаев H.A., Малафеев A.B., Буланова О.В., Игуменщев В.А. Математическое моделирование направленных фильтровых защит с высокочастотной блокировкой с целью оценки эффективности их работы// Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: Сб.

/

тр. Всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи. - Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 26-28.

13. Буланова О.В., Малафеев A.B., Николаев H.A., Ротанова Ю.Н., Панова Е.А. Определение асинхронной мощности синхронных генераторов в расчетах электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах// Электрика. - 2010. - №8. - С. 24-26.

14. Николаев H.A., Малафеев A.B., Буланова О.В., Панова Е.А., Кривоно-гов В.А., Ермак A.C. Задача анализа чувствительности релейных защит линий электропередачи и автотрансформаторов в сетях 110-220 кВ ОАО «ММК» с учетом изменения параметров аварийных режимов во времени// Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 68-й межрегиональной науч.-техн. конф. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - Т. 2. - С. 98-100.

15. Николаев H.A., Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н., Панова Е.А. Анализ селективности, быстродействия и чувствительности релейной защиты сложнозамкнутых сетей 110-220 кВ промышленного предприятия с собственными электростанциями с целью повышения надежности электроснабжения// Высокие технологии и фундаментальные исследования: Сб. тр. X Междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2010. - Т. 1. - С. 309-310.

16. Игуменщев В.А., Малафеев A.B., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н., Панова Е.А., Николаев H.A., Зиновьев В.В. Программа для ЭВМ «Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом действия релейной защиты» / Свидетельство РФ №2010617441// ОБПБТ. - 2011. - №1. - С. 226.

Подписано в печать 27.05.2011. Формат 60x84 1/16. Бумагатип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 420.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.ч.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ.

1.1. Обзор исследований в области моделирования устройств релейной защиты с целью анализа аварийных режимов.

1.2. Аналитический обзор методов расчета переходных процессов с учетом действия релейной защиты.

1.3. Обзор программного обеспечения, выполняющего функции анализа релейной защиты.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ В ЗАДАЧЕ АНАЛИЗА АВАРИЙНОГО РЕЖИМА.

2.1. Постановка задачи моделирования устройств релейной защиты.

2.2. Защиты с относительной селективностью.

2.3. Защиты с абсолютной селективностью.

Выводы.},.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ.

3.1. Постановка задачи моделирования переходных режимов промышленных электрических сетей.

3.2. Математическое моделирование генераторов промышленных электростанций и их регулирующих устройств.

3.3. Математическое моделирование электроприемников и элементов электрической сети при расчете переходных режимов.

3.4. Алгоритм расчета переходных процессов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях.

3.5. Комплексная оценка эффективности релейной защиты.

Выводы.

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С СОБСТВЕННЫМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ НА ПРИМЕРЕ ОАО «ММК».

4.1. Постановка задачи.;.

4.2. Краткая характеристика пользовательского интерфейса разработанного программного обеспечения.

4.3. Характеристика объекта исследования.

4.4. Оценка селективности {И быстродействия защит в схеме МЭУ.

4.5. Мероприятия по повышению эффективности релейной защиты в сетях 110-220 кВ МЭУ.

Выводы.

Актуальность проблемы. Система электроснабжения современного крупного предприятия представляет собой сложный комплекс электроэнер гетических устройств, включающий местные электростанции, питающие и распределительные сети напряжением 110-220 кВ, десятки понизительных подстанций. В отличие от сетей районных энергосистем, на ограниченных территориях промышленных предприятий сосредоточены потребители большой мощности. Сети ,110-220 кВ, работающие по сложнозамкнутым I схемам, имеют сравнительно небольшую длину линий, а распределение передаваемых мощностей в них может меняться в широких пределах в нормальных и ремонтных режимах с целью снижения потерь электроэнергии, регулирования напряжения, ограничения токов короткого замыкания.

Для предотвращения аварийных режимов в таких сетях широкое приI менение находят защиты с' абсолютной и относительной селективностью: дифференциально-фазные, дистанционные ступенчатые, токовые направленные и ненаправленные ступенчатые от междуфазных и однофазных коротких замыканий. В последнее время проводятся работы по модернизации устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), замене электромеханических и аналоговых устройств на'микропроцессорные терминалы. Высокое быстродействие и большое количество ступеней дают возможность осуществить более точную настройку параметров срабатывания, обеспечить селективг ность и повысить степень резервирования, улучшить чувствительность РЗиА I при изменении схем распределительных сетей и режима системы электроI снабжения. 1

Надежность работы защитных и автоматических устройств в значительной мере определяет надежность работы всей системы электроснабжения. Селективное отключение короткие замыканий органами защиты способI ствует локализации развития аварии, что позволяет снизить материальный ущерб от перерывов электроснабжения. Статическая и динамическая устой

I 4 чивость генераторов и крупных синхронных и асинхронных двигателей определяется в первую очередь быстродействием устройств релейной защиты и автоматики, а также правильным выбором уставок срабатывания, согласова

Г " ^ нием действия различных систем автоматики в процессе развития и ликвидации аварии.

Актуальной задачей в области управления и защиты электроустановок является разработка математических моделей устройств релейной защиты и автоматики, согласование разработанных моделей с принципами расчета установившихся и переходных режимов систем электроснабжения, оценка селективности, быстродействия и чувствительности работы релейной защиты и автоматики при различных аварийных режимах.

Следует отметить, что районные диспетчерские управления определяI ют уставки срабатывания релейной защиты, исходя из обеспечения устойчивой работы районной энергосистемы, при этом допускается отключение часI ти нагрузки. В связи с этим необходимо корректировать в условиях промышленного предприятия выданные уставки с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей.

Степень научной разработанности проблемы

Вопросы анализа электромагнитных переходных процессов рассмотрены в работах A.A. Горева, Н^Н. Щедрина, С.А. Ульянова, Д.А. Городского, Р. Рюденберга, К. Парка, К. Вагнера, Р. Эванса и др. Основные методы моделиI рования элементов энергосистем и систем электроснабжения изложены в раI ботах P.A. Лютера, Ю.Е. Гуревича, Ф.Г. Гусейнова, С.И. Гамазина, С.А. Цы-рука и ряде других. Проблеме динамической устойчивости при коротких замыканиях посвящены труды В.А. Веникова, П.С. Жданова, Э. Кимбарка,

И.М. Марковича, В.А. Баринова, а также других отечественных и зарубежF ных ученых. | I

Как показывает анализ литературных источников, практически не расI сматриваются вопросы расчета и анализа электромеханических и электромагнитных переходных процессов с одновременным контролем параметров срабатывания устройств релейной защиты с целью оценки эффективности их действия в сложных системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями, а также вопросы математического моделирования защит в расчетах переходных аварийных режимов.

Целью работы является повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, за счет прогнозирования развития аварийных режимов и повышения эффективности действия релейной защиты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1

1. Разработать математические модели устройств релейной защиты, предназначенные для контроля параметров режима и изменения оперативного состояния схемы в процессе расчета.

2. Создать алгоритм расчета переходных режимов при различных виI дах коротких замыканий и их последующем отключении в результате действия релейной защиты, дающий возможность рассчитывать мгновенные знаI чения параметров электромагнитного переходного процесса, режимы асинхронного хода генераторов и позволяющий оценивать селективность, быстродействие и чувствительность релейной защиты в системах электроснабжения со сложнозамкнутымж сетями-и .несколькими собственными электро1 станциями.

3. Осуществить программную реализацию разработанных алгоритмов.

4. Провести анализ селективности релейных защит с относительной селективностью для коротких замыканий на шинах узловых подстанций и собственных электростанции Магнитогорского энергетического узла (МЭУ) в случае вывода или отказа быстродействующих защит, оценку быстродейст вия и чувствительности всех видов защит.

5. Разработать предложения по повышению эффективности действия релейной защиты сетей 110-220 кВ ОАО «ММК». б

Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных.интервалов, модифицированного меI тода последовательного эквивалентирования. Исследования проводились с помощью оригинального программного обеспечения.

Достоверность и обоснованность научных результатов выводов и рекомендаций подтверждается:

1. Соответствием результатов вычислительного эксперимента осциллограммам аварийных отключений.

2. Корректным использованием методов последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов, а также апробированных ма

Iі тематических пакетов обработки экспериментальных данных. г

3. Использованием реальных технических характеристик оборудова ния. і

Научная новизна. і

1. Разработан усовершенствованный алгоритм расчета переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях и их отключениях с учетом действия релейной защиты в системе электроснабжеI ния с собственными электростанциями, позволяющий службам РЗиА и оперативно-диспетчерскому персоналу прогнозировать развитие аварийных режимов и оценивать эффективность работы релейной защиты. Алгоритм пре і дусматривает расчет мгновенных значений параметров переходного процесса для определения условий срабатывания защит, работающих на принципе косвенного сравнения параметров режима, и расчет режима асинхронного хода генераторов местных замыканиях, позволяющий

•электростанции при несимметричных коротких выявить-условия ложного срабатывания защит, реагирующих на качания. Алгоритм дает возможность осуществлять контроль условий срабатывания различных видов релейных защит и изменять оперативное состояние схемы непосредственно в ходе расчета.

2. Разработана методика комплексной оценки эффективности релейной защиты, включающая оценку селективности, чувствительности, а также быстродействия защит по критерию сохранения устойчивости генераторов местных электростанций и высоковольтных двигателей, позволяющая выбирать параметры срабатывания релейной защиты в сложнозамкнутых сетях промышленных предприятий с несколькими собственными источниками электроэнергии и узлами примыкания к энергосистеме.

3. Созданы математические модели устройств релейной защиты сетей 110-220 кВ на различной элементной базе, предназначенные для совместного использования с разработанным алгоритмом расчета переходных режимов и I позволяющие на основе первичных значений параметров аварийных режимов формировать вторичные значения требуемых параметров срабатывания в зависимости от схемы включения измерительных трансформаторов, схемы включения и принципа действия измерительных органов, логики действия защит. 1

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданный программный комплекс дает возможность осуществить анализ селективности действия защит, оценить быстродействие устройств РЗ по критерию сохранения динамической устойчивости, провести их проверку по чувствительности при любых видах коротких замыканий.

I 1 2. Разработанные применительно к условиям системы электроснабже ния ОАО «Магнитогорский! металлургический комбинат» предложения по I повышению эффективности релейной защиты позволяют снизить ущерб от недовыработки электроэнергии собственными электростанциями предприятия в результате избыточной работы релейной защиты, а также уменьшить недовыпуск продукции за счет повышения надежности электроснабжения потребителей. !

3. Разработанный программный комплекс позволяет осуществлять 1 прогнозирование последствий аварийных режимов и выполнять оперативную

I ---"V коррекцию уставок релейной защиты и может быть использован в составе ав

1 * f I томатизированного рабочего места инженера по расчету и анализу режимов в условиях системы электроснабжения любого промышленного предприятия с собственными источниками электроэнергии. Реализация результантов работы.

1. Разработано программное обеспечение расчета переходных аварийных режимов в системах электроснабжения с местными электростанциями с учетом действия устройств релейной защиты. Программное обеспечение прошло государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010617441 от 11.11.2010 г.).

2. Создана база данных по устройствам релейной защиты сетей наI пряжением 110-220 кВ ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», предназначенная для использования совместно с разработанным программным комплексом. 1 v I

3. Программа для ЭВМ опробована в группе режимов центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) и оперативно-производственном участке цеха электрических| сетей и подстанций ОАО «ММК», получила noif ложительное заключение и внедрена в практику эксплуатации.

4. Разработаны и внедрены мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить ущерб от простоев технологического оборудоI вания основных цехов в результате избыточной работы релейной защиты, снизить вероятность отделения собственных электростанций ОАО «ММК» от энергосистемы с полной кх остановкой и уменьшить недоотпуск электроf энергии в сети ОАО «ММК». Фактический экономический эффект от внедрения программного комплекса составляет 2120,5 тыс. руб. в год. i

5. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Релейная защита и автома — «■ тизация систем электроснабжения» и «Переходные процессы в электроэнергетических системах», при курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» и направления 140200 «Электроэнергетика».

Основные положения, выносимые на защиту i

1. Математические модели устройств релейной защиты с абсолютной и относительной селективностью в сетях напряжением 110-220 кВ на различной элементной базе. ■» Г

2. Алгоритм расчета и анализа переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях с учетом изменения оперативного состояния схемы в результате работы релейной защиты, включающий расчет мгновенных значений параметров переходного процесса и расчет j асинхронного хода генераторов местных электростанций.

3. Методика оценки эффективности релейной защиты в системе элекi троснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями на основе критериев селективности, чувствительности и быстродейст вия с учетом сохранения устойчивости генераторов.

4. Результаты анализа работы релейной защиты в аварийных режимах, проведенных на основе разработанных алгоритма и методики в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».

Апробация работы i

Основные положения,« выносимые на защиту диссертации и основные i аспекты глав обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, i электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), VIII и^Х Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С.-Пе|гербург7 2009 г., 2010 г.), Международной научно-технической конференцйи «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.), 67-й научно-технической конференции МГТУ и ММК по результатам научно-исследовательских работ (г!. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й межрегиональной научно-технической конференции «Современные проблемы науки и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.).

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным засе1 данием кафедры электроснабжения промышленных предприятий института энергетики и автоматики ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (18 мая 2011 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четы

Выводы

1. Для моделирования работы устройств РЗ при симметричных и несимметричных коротких замыканиях в сетях 110-220 кВ МЭУ на кафедре ЭПП МГТУ им. Г.И. Носова было разработано оригинальное программное обеспечение. С целью оценки эффективности работы РЗ была проведена серия расчетов переходных процессов при трехфазных, однофазных и двухфазных коротких замыканиях в максимальном и минимальном режимах с использованием данного программного продукта.

2. Анализ работы Б)3 при трехфазных коротких замыканиях показал, что как в максимальном, так и в минимальном режимах в большинстве случаев обеспечивается селективность работы защит. Одними из самых характерных случаев избыточного срабатывания РЗ являются ошибочное отключение параллельных линий и завышенное время срабатывания защит на секционных и шиносоединительных выключателях.

3. Проведена оценка быстродействия защит на основе анализа зависимостей углов роторов генераторов собственных электростанций от времени в рассматриваемых аварийных режимах. Как показали расчеты, в ряде случаев наблюдается выход из синхронизма, что говорит о недостаточном быстродействии рассматриваемых защит.

4. Результаты расчета изменения параметров режима во времени при двухфазных коротких замыканиях в минимальном режиме и полученная последовательность отключений позволили произвести расчет коэффициентов чувствительности сработавших защит. Чувствительность релейной защиты в большинстве случаев удовлетворяет требованиям ПУЭ.

5. Основными ошибками в работе защит с относительной селектив

145 ностью при выводе быстродействующих защит является неселективная работа и недостаточное быстродействие. Неселективная работа в основном проявляется в избыточном отключении парных линий и отделении собственных электростанций МЭУ от энергосистемы.

6. На основании проделанных расчетов переходных процессов и анализа работы устройств РЗ даны практические рекомендации по изменению параметров срабатывания защит в схеме МЭУ. Предложена коррекция уставок дистанционной, ненаправленной токовой, ступенчатой токовой защиты, а также ТЗНП в схемах ПС №№30, 63, 90, 96, ТЭЦ и ЦЭС.

7. Эффективность предложенных рекомендаций подтверждена актом внедрения. Результатами работы являются снижение затрат, связанных с простоями технологического оборудования, и снижение недовыработки электроэнергии в сети ОАО «ММК». Фактический экономический эффект составил 2120,5 тыс. руб. в под. 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе собственные источники электроэнергии и сложнозамкнутые сети, за счет прогнозирования протекания аварийных режимов с целью обеспечения селективности, быстродействия и чувствительности релейной защиты, позволяют сформулировать следующие результаты: г

1. Предложены математические модели устройств релейной защиты сетей 110-220 кВ, учитывающие особенности их аппаратной и алгоритмической реализации и позволяющие контролировать параметры режима сети, а также первичные и вторичные параметры срабатывания.

2. С целью оценки селективности, быстродействия и чувствительности релейных защит разработан усовершенствованный алгоритм расчета переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях, отличающийся возможностью определения мгновенных значений токов для оценки работы защит с косвенным сравнением параметров режима и расчета режима асинхронного хода при коротких замыканиях любых видов, и позволяющий изменять схему сети в ходе расчета при выполнении условий срабатывания пусковых органов защит.

3. Разработана методика оценки эффективности релейной защиты сложнозамкнутых питающих и распределительных сетей напряжением 110220 кВ систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями и несколькими узлами связи с энергосистемой.

4. Разработан и отлажен программный комплекс, позволяющий проводить расчет и анализ переходных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом действия релейной защиты и проводить коррекцию уставок срабатывания. Программный комплекс опробован и внедрен в группе режимов центральной электротехнической лаборатории и диспетчерской службе цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК». Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010617441 от 11.11.2010.

5. При помощи созданного программного комплекса с целью апробации разработанных алгоритмов и методик осуществлен анализ аварийных режимов в электрических сетях 110-220 кВ ОАО «ММК», выполнена оценка селективности, быстродействия и чувствительности работы релейной защиты в рассмотренных режимах, разработаны и внедрены мероприятия по повышению эффективности работы защит. Фактический экономический эффект составляет 2120,5 тыс. рубдв год за счет сокращения простоев и снижения недовыработки электроэнергии собственными электростанциями предприятия.

6. Разработанные методика и программный комплекс могут быть рекомендованы для служб релейной защиты крупных промышленных предприц ятий, имеющих собственные электростанции, независимо от отрасли промышленности. )

1. Андерсон, П. Управление энергосистемами и устойчивость Текст. / П. Андерсон, А. Фуад; пер. с англ. под ред. Я.Н. Лугинского. -М.: Энергия, 1980. 568 с.

2. Андреев, В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения Текст. / В.А. Андреев. — М.: Высшая школа, 2006. 640 с.

3. Атабеков, Г.И. Упрощенный способ работы релейной защиты при неполнофазном режиме Текст. /Г.И. Атабеков // Электрические станции. — 1955. —№6. -С. 35-37.

4. Барзам, А.Б. Аварийные режимы энергетических систем и их диспетчерская ликвидация Текст. / А.Б. Барзам. М.: Энергия, 1970. - 184 с.

5. Баринов, В.А. Режимы энергосистем: Методы анализа и управления Текст. / В.А Баринов, С.А. Совалов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 440 с.

6. Басс, Э.И. Релейная защита электроэнергетических систем / Э.И. Басс, В.Г. Дорогунцев; под ред. А.Ф. Дьякова М.: Издательство МЭИ, 2002. - 296с.

7. Бернас, С. Математические модели элементов электроэнергетических систем Текст. / С. Бернас, 3. Цек; пер. с польск. — М.: Энергоиздат, 1982.-312 с. і

8. Вагнер, К.Ф. Метод симметричных составляющих. В применении к анализу несимметричных электрических цепей. Текст. / К.Ф. Вагнер, Р.Д. Эванс. Л.-М.: Главная редакция энергетической литературы, 1936. — 437 с.

9. Важное, А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока Текст. / А.И. Важнов. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 256 с.

10. Вайнштейн, P.A. Усовершенствование расчетов несимметричных режимов в программах расчета электромеханических переходных процессов Текст. /P.A. Вайнштейн, К.С. Лозинский, В.П Иванов и М.ИКобытев. // Электричество, 2008, № 7. С. 19-23.г

11. Ванин, B.K. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники Текст. / В.К. Ванин. — JL: Высшая школа, 1983. — 207 с.

12. Веллер, В.Н. Автоматическое регулирование паровых турбин Текст. / В.Н. Веллер. М.: Энергия, 1967. - 416 с.

13. Веников, В.А. Методика расчетов устойчивости автоматизированных электрических систем (анализ переходных процессов в электрических системах) Текст. / Н.Д. Анисимова [и др.]; под ред. В.А. Веникова. — М.: Высшая школа, 1966. 248 с.

14. Веников, В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах Текст. / В.А. Веников — 2-е изд. — М.: Высшая школа, 1970.-472 с.

15. Дьяков, А.Ф. Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем Текст. / А.Ф. Дьяков, Н.И. Овчаренко. -М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 336 с.

16. Веников, В.А. Электрические системы. Режимы работы электрических систем и сетей Текст. / В.А. Веников, Л.А. Жуков, Г.Е. Поспелов. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 19751 344 с.

17. Воропай, Н.И. упрощение математических моделей динамики электроэнергетических систем Текст. / Н.И. Воропай. — Новосибирск.: НСО, 1981.-112 с.

18. Гамазин, С.И. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой Текст. / С.И. Гамазин, В.А. Ставцев„С.А. Цырук. М.: Изд-во МЭИ, 1997. - 424 с.

19. Гельфанд, Я.С: Релейная защита распределительных сетей Текст. / Я.С. Гельфанд.;— М.: Энергоатомиздат, 1987. — 368 с.

20. Горев, A.A. Избранные труды по вопросам устойчивости электрических систем Текст. / А.А:,Горев. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 259 с.

21. Городский, Д.А. Асинхронный ход синхронной машины в системе Текст. / Д.А. Городский // Электричество. 1945. - № 3. - С. 23-26.

22. Гуревич, Ю.Е. Расчеты устойчивости и противоаварийной авто

23. Гусейнов, Ф.Г. Исследование на ЭВМ электромеханических переходных процессов эквивалентной синхронной нагрузки электрических систем Текст. / Ф.Г. Гусейнов, Н.Р. Рахманов. // За технический прогресс. — 1967.-№10.-С. 14-18.

24. Гусейнов, Ф.Г. Эквивалентирование нагрузок электрических систем при исследованиях статической и динамической устойчивости Текст. / Ф.Г. Гусейнов, Н.Р. Рахманов. // Электричество. 1973. — № 6. — С. 14-17.

25. Дроздов, А.Д. Реле дифференциальных защит элементов энергосистем Текст. / А.Д Дроздов. — М.: Госэнергоатомиздат, 1968. — 189 с.

26. Дроздов, А.Д. Электрические цепи с ферромагнитными элементами в релейной защите Текст. / А.Д. Дроздов. — М.: Энергия, 1965. 65 с.

27. Ершов, М.С. Адаптация защит узлов электрических нагрузок к потере питания при несимметричных возмущениях. Текст. / М.С. Ершов, И.О. Рупчев // Промышленная энергетика, 2004, № 1. С. 47-50.

28. Жданов, П.С. Вопросы устойчивости энергетических систем Текст. / П.С. Жданов; под ред. JI.A. Жукова. — М.: Энергия, 1979. 456 с.

29. Жуков, JI.A. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: Методы расчетов Текст. / JI.A. Жуков, И.П. Стратан. -М.: Энергия, 1979. 416 с. ,

30. Засыпкин, A.C.! Релейная защита трансформаторов Текст. / A.C. Засыпкин. -М.: Энергоатомиздат, 1989. — 240 с.

31. Игуменщев, В.А. Расчет и анализ динамической устойчивости узлов нагрузки промышленных предприятий с собственными электростанциями Текст. / В.А. Игуменщев, A.B. Малафеев, О.В. Буланова // Изв. вузов. Электромеханика. 2006. - №4. - С. 94-98.

32. Кимбарк, Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем Текст. / Э. Кимбарк. M.-JL: Госэнергоиздат, 1960. - 392 с.

33. Клецель, М.Я. О построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока Текст. / В.А. Клецель // Электротехника. 1987.4. - С.11-13.

34. Ковач, К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока Текст. / К.П. Ковач, И. Рац. M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

35. Куликов, Ю.А. Переходные процессы в электрических системах Текст.: Учеб. пособие / Ю.А. Куликов. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. -283 с.

36. Лифшиц, A.C. Совершенствование методов и средств исследования динамических режимов функционирования релейной защиты электроэнергетических систем Текст. / A.C. Лифшиц: автореф. дис. . доктор, техн.наук: 05.14.02. // Иваново Иваново.: 2008. — 35 с.

37. Лютер, P.A. Расчет синхронных машин Текст. / P.A. Лютер. — Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. 272 с.

38. Лямец, Ю.Я. Концепция построения дифференциально-фазной защиты ЛЭП Текст. / Ю.Я- Лямец, Г.С. Нудельман // Сб. докл. X науч.-техн. конф. по РЗиА - М: ИДУ, 2002. - С. 91-93.

39. Ляпунов, A.M. Общая задача об устойчивости движения Текст. / A.M. Ляпунов. Л.: ГИТТЛ, 1950 - 320 с.

40. Малафеев, A.B. Анализ режимов несимметричных коротких замыканий в сложных системах электроснабжения с собственными электростанциями/ A.B. Малафеев, О.В. Буланова, Е.А. Панова, М.В. Григорьева// Промышленная энергетика, г- 2010. — №3. — С. 26-31.

41. Мамиконянц, Л.Г. Исследование асинхронных режимов синIхронных машин Текст. / Л.Г. Мамиконянц: автореф. дис. . д-ра техн. наук: i 05.14.02.-М., 1958.-43 с.

42. Марголин, Н.Ф.)Метод расчета токов при внутренних коротких замыканиях в синхронных генераторах Текст. /Н.Ф. Марголин // Электрические станции. 1953. - № 3. - С. 23-27.

43. Маркович, И.М. Режимы энергетических систем Текст. / И.М. Маркович. М.: Энергия, 1969. - 352 с.

44. Маруда, И.Ф. Опыт применения дополнительных релейных устройств при нестандартных режимах работы электрооборудования Текст. / И.Ф. Маруда. // Энергетик. 4 2005. № 6. - С.32-35.

45. Меркурьев, Г.В. Устойчивость энергосистем. Расчеты: Монография Текст./ Г.В. Меркурьев, Ю.М. Шаргин СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006. — 300 с.

46. Наумов, В.А. Исследование алгоритмов продольных дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор Текст. /

47. B.А. Наумов // Электрические станции. — 2006. — № 2. — С. 46-50.

48. Осин, И.Л. Электрические машины: Синхронные машины Текст. / И.Л. Осин, Ю.Г. Шакарян; под ред. И.П. Копылова. М.: Высш. шк., 1990.-304 с. ,

49. Подгорный, Э.В. Моделирование и расчеты переходных режимов в цепях релейной защиты Текст. / Э.В. Подгорный. М.: Энергоатомиздат, 1987.-254 с.

50. Попов, Н.М Расчет напряжений при замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ. Текст. / Н.М. Попов, А.Н. Лапшин // Электрика. 2007. - № 10.—1. C. 36-39.

51. Постников, И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин Текст. / И.М. Постников. — М.: Высшая школа, 1975. -320 с. <

52. Пупин, В.М. Методика расчета несимметричных режимов электроснабжения. Текст. /В.М. Пупин, C.B. Соловьев // Электрика, 2002, № 7. С. 14-17. t

53. Рубинчик, В.А. релейная защита и автоматика систем электроснабжения Текст. / В.А. Рубинчик, А.Н. Кожин. М.: Энергоатомиздат, 1987.-312 с. |

54. Рюденберг, Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок Текст. / Р. Рюденберг. Л.: Энергия, 1981. - 576 с.

55. Соловьев, И.И. Автоматические регуляторы синхронных генераторов Текст. / И.И. Соловьев. -М.: Энергоиздат, 1981.-247 с.

56. Сыромятников, И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей Текст./ И.А. Сыромятников. — М.-Л., Госэнергоиздат, 1963.-527 с. *

57. Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах Текст. / С.А. Ульянов. — М.: Энергия, 1970. 520 с.

58. Федосеев A.M. Основы релейной защиты Текст. / A.M. Федосеев. М.-Л.: ГЭИ, 1961. - 440 с.

59. Фигурнов, Е.П. Релейная защита Текст. / Е.П. Фигурнов. — М.: Желдориздат, 2002. 720 с.

60. Чернин, А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем Текст. / А.Б. Чернин, С.Б. Лосев. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 232 с.

61. Чернобровое Н.В. Релейная защита Текст. / Н.В. Чернобровов — М.-Л.: ГЭИ, 1959.-592 с. !

62. Шабад, М.А. Расчеты релейной защиты и автоматика распределительных сетей Текст. / М.А. Шабад. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.-296 с.

63. Шнеерсон, Э.М. Дистанционная защита Текст. / Шнеерсон Э.М. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 448 с.

64. Щедрин, H.H. Токи короткого замыкания высоковольтных систем Текст. / H.H. Щедрин. М.-Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1955. - 252 с.

65. Щедрин, H.H. Упрощение электрических систем при моделировании Текст. / H.H. Щедрин. М.-Л.: Энергия, 1966. - 159 с.

66. A new method for computing dynamic АТС Text. / M. Eidiani, M.H.M. Shanechi // Int. J. Elec. Power and Energy Syst. 2006. - 28, № 2. -P. 109-118.

67. A new power flow model for fast static security assessment. Text. / M. Boudour, A. Hellal // Int. Jj Power and Energy Syst. 2006. - 26, № 1. -P. 12-17.

68. An optimal power' system model order reduction technique Text. /

69. Juan M. Ramires Arredendo, Rodrigo Garcia Valle // Int. J. Elec. Power and Energy Syst. 2004. - 26, № 7. - P. 493-500.

70. Dynamic voltage stability constrained АТС calculation by a QSS approach Text. / Y. Cheng, T.S. Chung, C.Y. Chung, C.W. Yu // Int. J. Elec. Power and Energy Syst. 2006. - 28, № 6. - P. 408 - 412.

71. Maximum energy flow problem through power systems under interval uncertainties Text. / Georgi Sapundjiv, Simona Petrakieva // ELMA 2005: 11 International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, Sofia 6•i

72. Avangard. 2005. - P. 355-360.

73. Machowsky, J. Power system dynamics Text. / J. Machowsky, J. Bi-alek, J. Bumby. Chichester: John Wiley & Sons, 2008. - P. 629.

74. Horowitz, S. Power system relaying Text. / S. Horowitz, A. Phadke. -Chichester: John Wiley & Sons, 2008. P. 331.

75. Das, D. Electrical power systems Text. / D. Das. New Delphi: New Age International Ltd. Publishers, 2006. - P. 470.

76. Вильгейм, P. Заземление нейтрали в высоковольтных системах Текст. / Р. Вильгейм, М. Уотерс; пер. с англ. под ред. Д.В. Разевига. М.I

77. JL: Госэнергоиздат, 1959. 415 с.

78. Николаев, H.A. Математическое моделирование высокочастотных релейных защит в сетях напряжением 110-220 кВ с местными электростанциями/ H.A. Николаев, В.А. Игуменщев, A.B. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н.

79. Кондрашова, Е.А. Панова, Е.К. Баринова, O.A. Губина// Главный энергетик. — 2011.-№3.-С. 19-25.

80. Николаев, H.A. Анализ селективности резервных релейных защит узла подстанции №30 ОАО «ММК» по результатам расчета переходных режимов системы электроснабжения/ H.A. Николаев, В.А. Игуменщев,

81. A.B. Малафеев, В.Ю. Белышев, В.В. Набатов // Материалы 66-й науч.-техн. конф. МГТУ—ММК: Сб. докл. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. -С. 73-76. і

82. Николаев, H.A. Оценка эффективности действия релейных защитfс относительной селективностью в условиях магнитогорского энергоузла/

83. B.А. Игуменщев, H.A. Николаев, A.B. Малафеев, О.В. Буланова, О.В. За-бродская, А.О. Загора // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Тольятти: ТГУ, 2009.-4.2.-С. 166-169. і

84. Николаев, H.A. i Математическое моделирование направленных фильтровых защит с высокочастотной блокировкой с целью оценки эффективности их работы/ H.A. Николаев, A.B. Малафеев, О.В. Буланова,

85. В.А. Игуменщев // Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: Сб. тр. Всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи. Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 26-28.