автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование динамики работы измерительных органов релейной защиты

Р V Ь ^ ^ На правах рукописи

1 з да

Кхалаф Нихад Юсиф Ибрахим

Исследование динамики работы измерительных органов релейной защиты

Специальность: 05.14.02

— электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре "Электрические станции" Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Г.М. Павлов.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

И.Ф. Кузнецов,

кандидат технических наук, доцент В.Я. Шмурьев.

Ведущая организация — Санкт-Петербургский Энергетический

Институт Повышения Квалификации Специалистов Мин Топ Энерго РФ.

ОО

Защита состоится " " _ 1996 г. в ""часов на

заседании диссертационного Совета К-063.38.24 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, главное здание, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан "23 " СШ^>ЫеЛ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент. А.И. Таджибаев

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Релейная защита работает в переходном режиме, когда в самом объекте защиты и в элементах защиты идет переходный процесс, сопровождающийся генерацией свободных составляющих в токах и напряжениях. Эти составляющие оказывают влияние на срабатывание измерительных органов защиты.

Обычно для измерительных органов указывают их статические характеристики — параметры срабатывания и возврата реле, ориентировочно время срабатывания и статические характеристики в комплексной плоскости для реле сопротивления. Динамика работы реле пока изучена недостаточно. В то же время эта проблема представляет большой интерес для быстродействующих защит.

Принципиально, динамику срабатывания реле и влияние на его работу свободных составляющих можно исследовать в лабораторных условиях, используя для этого реальные реле.

В такой постановке есть определенные трудности. Во-первых, для реального реле сравнительно трудно создавать входной сигнал по току и напряжению в виде набора гармонических и апериодических составляющих. Во-вторых, достаточно сложно фиксировать координату перемещения якоря электромеханического реле.

Возможен другой путь исследований — построение математических моделей измерительных реле и других элементов релейной защиты с последующим исследованием проблемы на ЭВМ.

Математическая модель может быть универсальной и пригодной для исследований различных реле, независимо от их принципа исполнения (электромеханические реле, полупроводниковые, на операционных усилителях или на основе микропроцессора). К тому же при исследовании на ЭВМ регистрация параметров в любой точке структурной схемы реле на вызывает никаких осложнений.

Разработке математических моделей измерительных реле и посвящена настоящая диссертационная работа. На этих моделях выполнены всесторонние' исследования динамики работы реле.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей измерительных реле и проведение исследований на ЭВМ динамики работы реяе. Математическая модель должна быть универсальной и пригодной для исследования различных реле, независимо от их принципа действия — электромеханические, полупроводниковые и т.д. На модели должны быть исследованы переходные процессы в структуре реле при включении на его входе гармонического или сложного сигнала в виде суммы гармонических или апериодических составляющих.

Методика выполнения исследований. Решение указанных задач выполнялось на аналитической основе в соответствии с разработанными методами анализа электрических цепей. Проводились исследования элементов общей схемы алгоритма действия реле, а именно — нелинейные элементы, частотные фильтры и компараторы.

Полученные аналитическим методом характеристики элементов алгоритма действия реле были подтверждены расчетами на ЭВМ с помощью разработанной программы автоматического моделирования для исследования реле и математической модели общей структуры алгоритма действия реле.

Основные научные результаты и их новизна.

1. Предложена новая классификация измерительных реле. В ее основ} положена математическая модель обработки входного сигнала с целью егс идентификации.

Отличительным признаком принадлежности реле к той или hho¿ категории является вид нелинейного преобразования входного сигнала i способ частотной фильтрации.

2.В диссертации проанализированы реле, для реализации которы: ии ользуегся нелинейная операция перемножения двух сигналов i нелинейность полупроводникового типа. Частным случаем множительной блока является квадратор. Эти нелинейности используются для создани: реле, которые реагируют на одну или две (несколько) электрически; величин.

3.Разработаны математические модели, которые охватывают все многообразие измерительных реле тока, напряжения, мощности, сопротивления и др., независимо от физической реализации реле (на электромеханическом принципе, полупроводниковые реле, на основе микроэлектроники). Модели позволяют исследовать статические и динамические характеристики реле на ЭВМ.

4. Разработаны алгоритмы и программы исследования реле на ЭВМ. Исследования проведены для гармонического входного сигнала при наличии апериодических и гармонических составляющих. Исследования выполнены для различных вариантов нелинейностей и частртных фильтров. На основании исследований даны рекомендации по выбору структуры реле и параметров схемы.

5.Исследовано поведение реле при асинхронном ходе в энергосистеме. Показано, что наличие модуляции в сигналах не оказывает заметного влияния на работу реле, реагирующего на интегральное значение тока и напряжения.

Это замечание справедливо и для реле сопротивления, независимо от того, построено оно на принципе сравнения модулей или фазы измеряемых величин. Исследования дают основание строить векторные диаграммы в комплексной плоскости сопротивлений при малых скольжениях так же как и для одночастотного режима, что значительно упрощает исследование поведения релейной защиты при асинхронном ходе.

Практическая ценность работы и ее внедрение. Полученные в диссертационной работе научные положения, выводы и рекомендации, а также разработанная программа моделирования измерительной части релейной защиты и проведенный на ней эксперимент представляет большой интерес для специалистов релейной защиты. В то же время эта часть диссертации интересна и для учебных целей — студенты могут познакомиться и исследовать поведение релейной защиты в переходном режиме.

Апробация работы. Материал диссертации докладывался на научных ;еминарах кафедры "Электрические станции" СПбГТУ. Математическая

модель реле, исследование динамики работы реле включены в лекционный материал по курсу релейной защиты для студентов СПбГТУ.

Публикация. По результатам выполненных исследований опубликована одна статья в журнале "Известия ВУЗов", изд-во "Энергетика", №11-12, 1994г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, одного приложения и содержит 101 страницу основного текста и библиографию из 30 наименований. Общий объем — 122 страницы.

Содержание работы.

Во введении дается общая характеристика проблемы и обосновывается актуальность, приводится структура работы.

В первой главе диссертации изучаются вопросы идентификации сигнала и методов измерения электрических величин. Здесь предлагается единая структура дня различных принципов действия реле с единых, методологических позиций, независимо от элементной базы реле — на электромеханической базе, на базе полупроводниковых реле, на базе микроэлектроники, включая микропроцессоры. Основой этому служит единообразие действия реле, а именно: сначала производится^нелинейное преобразование сигнала, а затем выделяется одна из составляющих, удобная для определения идентификационных признаков.

На основании такого подхода структурная схема измерительного органа делится на две часги: нелинейный элемент и элемент частотной фильтрации, я выглядит следующим образом:

Здесь ставится еще компаратор для сравнения измеряемой величины с заданной уставкой реле. Как правило, из нелинейно преобразованного сигнала выделяется низкочастотная (постоянная) составляющая. В этой связи в качестве фильтрующего элемента используют фильтр низкой частоты или интегратор.

В релейной защите используют два варианта нелинейных преобразований — перемножение сигналов и нелинейность полупроводникового прибора.

Перемножение двух сигналов 4,(0-- и^этл* и и,(») = иго18т(йЛ + |(0

дает

и, (0 ■ и, (0 = 0.5и11ои,т[со5 V - ссй(2лЛ + у)]. Выделяя низкочастотную составляющую, получим:

и,(0«,(0 = 0-5и)„имсоз!/. Полагая ига1=иР и игт=1р, можно получить реле мощности

В случае и, (О = и, (0 = и^шй* имеем: 4,0)11,(0 = 10^,

что служит основой для создания реле напряжения или тока.

В инерционной системе реле возможно иметь два входа — по току н напряжению, что служит базой для создания реле сопротивления.

С учетом рассмотренных частных случаев число неяинейностей возрастает. В таблице эти варианты нелинейных преобразований рассматриваются как самостоятельные виды нелинейных преобразований.

Несмотря на многообразие измерительных схем и устройств релейной защиты, их главные (основные) статические и динамические характеристики близки между собой. Это хорошо объясняется на рис.1. Кривая 1 получена по идеальному алгоритму

здесь используется квадратор в качестве нелинейного элемента и интегратор как фильтрующий элемент. Такой элемент в таблице занимает позицию З.а. Все прочие алгоритмы считаются приближением ■ к идеальному варианту. Кривая 2 занимает в таблице позицию З.б и 4.а, т.е. в качестве нелинейного элемента НЭ используется квадратор и фильтр низкой частоты ФНЧ, как фильтрующий элемент ФЭ или НЭ —

Таблица 1. Таблица структурных схем построения реле.

№ Вид нелинейного преобразования Структурная схема Способ фильтра НИИ tcp, мс Реле

1 u(t)=U,siri<Btx xU2sin((ot+v) u,(t iMt- Перемно-jJ [J 1 жение П ФНЧП К Г* ФНЧ 2(Н30 KV, КА KZ, KW

2.а Sign[u(t) - uK„] Выдержка времени 10+20 KV.KA

2.6 Sign u(t) Ui(t) J-, -4 Sign I—H u2(t) | I -1 ->| Sign p Выдержка времени .М 10+20 KZ, KW

З.а u'(t)=u3(t) uit) u Интегратор 20+40 KV.KA

З.б u'(t)=u2(t) "2<1> |—*j ФНЧ |—*J ^ |— ФНЧ 20+30 KV, КА

4.а u'(t)=lu(t)l u(t)r —» "й- - ФНЧ К > ФНЧ 20+30 KV.KA

4.6 u<t)=lu(t)l u,(t) -p-i u2(t)' 6 EE -Й- № * 3 ФНЧ К > ФНЧ 20+30 KZ, KW

5.а 2 r „JsinaX 1 u(t) -i УМН -Э Jot Интегратор 20-1-40 КА, KV KZ.KW

t L_

sin dt cos rat БУ

5.6 «oj N a. По программе микропроцессора Итератор (сумматор) 20 КЛ.КУ KZ.KW

выпрямитель и ФЭ — ФНЧ. Из рисунка 1 видно, что кривая 2 есть приближение к кривой I, т.е. они близки друг к другу. При интегрировании получается не только составляющая (кривая) 1, но и 1*, которая является помехой и оказывает влияние на процесс измерения. Однако при 1=Т интеграл 1* равен нулю. При этом интегрирование заканчивается и измеренное значение хранится в "памяти" до 2Т. На отрезке от Т до. 2Т цикл интегрирования повторяется. Если теперь действующее значение сигнала остается прежним, то интегрирование будет происходить по кривой Ь. В случае изменения действующего значения интегрирование будет осуществляться по Ь или Ь с последующей записью этих величин в "память" защиты.

Рис.1. Характер изменения напряжения при разных алгоритмах действия реле.

Избранная методика позволяет анализировать и сопоставлять все многообразие измерительных устройств релейной защиты с единых позиций. Это дает возможность сравнивать главные . (основные) статические и- динамические характеристики измерительных органов и на их основе дать заключение- о достош^твах и недостатках данного алгоритма действия реле.

Во второй главе диссертации рассматриваются вопросы частотной фильтрации и математического моделирования динамики работы реле.

Генератор ИЭ ФНЧ к

сигнала Г I —>

Рис. 2. Структурная схема модели реле.

уставка

Для исследования динамики работы реле разработаны математическая модель алгоритма действия реле на ЭВМ (рис.2) и программа моделирования общей структуры реле. Она составлена по блочному принципу — отдельно моделируется нелинейный элемент, частотный фильтр н компаратор. На входе нелинейного элемента создан блок генерации входного сигнала. Рассмотрим возможности этих блоков.

Блок входного сигнала. Исследование динамики работы реле выполнено при следующих входных сигналах: и(0=ии8ш«д, гдесо=314с-';

и(0 = и„$1п<г* +- Ц^пка*, где к=2, 3,... — номер гармоники; и(о = и^тйл + и.е"*'''-, где та — постоянная времени апериодической составляющей.

Нелинейный блок. В этом блоке создается математическая модель квадратора и"(1)=и1(0 или формирователя модуля и*(0=|"(')| (выпрямитель). Предусмотрена возможность моделирования идеального двухполупериодного выпрямителя и реального с учетом некоторого сопротивления в прямом направлении при малых токах.

Частотный фильтр. На ЭВМ моделировался частотный фильтр низкой частоты ФНЧ первого или второго порядка с передаточными функциями

I 4 . . 1

= -

гр-И

или (р) =

г|У +г2р + Г

Постоянные времени т, и, т: регулируются в достаточно широких пределах.

Компаратор. Математическая модель компаратора имеег гисгерезисиую характеристику. Возможно регулировать напряжение срабатывания и возврата компаратора, что соответствует регулировке ширины гнстерезисной петли компаратора.

При проведении эксперимента регулировалось напряжение в разных точках модели с момента включения входного сигнала и до завершения переходного процесса. Запись напряжения на выходе ФНЧ при включении реле на заданный сигнал достаточно наглядно раскрывает динамику работы реле.

На рис.3 показан переходный процесс при включении реле на сигнал и(0 = и„5тал. В качестве нелинейного элемента выбран квадратор и"(0 = иг(1). Регистрируется напряжение на выходе ФНЧ. В данном эксперименте использовался ФНЧ первого порядка с постоянной времени т=15мс.

При входном сигнале и(1) = 51паЛ , где ит=1.0, после квадратора имеем и'О) = 0.5(1-сек2ал). Здесь амплитуда второй гармоники равна значению постоянной составляющей. Коэффициент передачи ФНЧ равен

А<»> = -г=™

\ т со +1

На частоте второй гармоники имеем А((в2)=0.1. Таким образом, вторая гармоника частично проходит на выходе фильтра и имеет амплитуду, равную 10% от постоянной составляющей. В точке а реле срабатывает. При выбранных параметрах элементов время срабатывания реле составляет ит=22мс, кратность срабатывания по отношению к уставке равна 1.3, уставка срабатывания равна 1, коэффициент возврата равен 0.85, использовался компаратор с гистерезисной характеристикой, который в свою очередь способствует фильтрации сигнала.

Если в качестве нелинейного элемента использовать двухполупериодный выпрямитель, то напряжение за ним будет 2

и,ып =—(1 + 0.66СО82йЛ).

л

Здесь вторая гармоника составляет всего 0.66 от постоянной составляющей, поэтому ее фильтрация улучшается. Переходный процесс при такой структуре алгоритма показан на рис.4, кривая 1.

Дальнейшее улучшение фильтрации гармоник после нелинейного элемента можно получить за счет применения ФНЧ второго порядка. В тчком случае

А(й>) = -====4======,

^Т'У)' + !>'

0.552487000 0.497239000 0.441989000 0.386740000 0.331493000 0.276244000 0.220994000 0.165746000 0.110498000 0.055248700 0.0

о в

о

о о

N Ю г О ч>

П * >0 ю 0)

О 0 О О о

О О о О О

»0 и .

о

Рис.3. Переходный процесс (при включении реле на сигнал и(1)=ит5!Поз1) за ФНЧ первого порядка —-—, где

тр + 1

т=!5мс.

НЭ — квадратор.

где Т| и тг — постоянные времени ФНЧ.

При т|=10 мс и т2=17 мс имеем Л(м)=0.025. Таким образом, вторая и все последующие гармоники практически не проходят на выходе ФНЧ (см. рис.4, кривая 2).

Схема реле с квадратором и выпрямителем с принятыми ранее параметрами использовалась для исследования динамики работы реле при подаче входного сигнала

иС)= и.^т«* +• и^этксл. В эксперименте принято к=3 и итк=0.3ит1. При этом влияние третьей гармоники та действующее значение измеряемого сигнала будет равным 4.4%. Фильтр первого порядка частично пропускает гармонические составляющие, являющиеся следствием нелинейного преобразования. Эти гармоники видны на графике переходного процесса (рис. 4, кривая 3).

На рис. 4 (кривая 4) показан переходный процесс при включении реле на сигнал

ц(')= и^таЛ + и.е""'-. Постоянная времени апериодической составляющей та=50 мс. В качестве нелинейного элемента выбран формирователь модуля и'(0 = |и(0(. Использовался частотный фильтр второго порядка.

В диссертационной работе было выяснено влияние частоты входного сигнала на динамику работы реле. На входе реле, включая и НЭ, нет частотозависимых элементов. Это дает основание сделать вывод о том, что работа реле не зависит от частоты входного сигнала. И тем не менее, такой эксперимент при частотах 50 Гц и 48 Гц, при прочих равных параметрах, проведен на ЭВМ (см. рис.4, кривую 5), который и подтверждает сделанный ранее вывод.

По разработанной программе были выполнены исследования переходных процессов при различных параметрах элементов схемы. Здесь варьировался вид . нелинейного элемента — квадратор или двухполупериодный выпрямитель. Варьировался вид частотного фильтра, его передаточные функции и параметры (постоянные времени). На основе результатов этих исследований было установлено влияние того или иного параметра (элемента) на динамику работы реле.

В третьей главе диссертации были проведены анализы и исследования разных реле с разными элементными базами, а именно — электромагнитное реле, реле с выпрямителем сигнала на основе элементов вычислительной техники, реле сопротивления и реяе измерения фазы.

Здесь показано, что в основе всех принципов построения реле имеется нелинейное преобразование (перемножение, возведение в квадрат или выпрямление), частотный фильтр для фильтрации сигнала ог гармонических составляющих, вызванных в результате нелинейного преобразования и компаратор, в котором сравниваются или измеряемая величина с уставкой реле или сравнение идет по модулю (фазе) как в реле сопротивления.

В четвертой главе диссертационной работы использовалась возможность моделирования двух гармонических сигналов с разными частотами <01 и т с помощью разработанной математической модели алгоритма действия реле и программы моделирования общей структуры реле. Такая аварийная ситуация возникает при асинхронном режиме генератора (станции) в энергосистеме. В таком случае можно получить разность ЭДС источников:

ЛН(() = В, 0) - пс(0 = Н,„,мп«г( - Е„мпй>е г. При Еш=Епк=Ет получим

ЛЕО) = 2Е„,8Ш

<Л.-й>,

2

1-СО$

<иг + го,

Е

о

Рис: 5

или

ДН.(1) = 2 Е,„ (1)0080)^1.

На такую разность напряжений (напряжение биения) реагирует реле (рис.5). Поведение измерительного органа релейной защиты при таком режиме представляет большой теоретический или практический интерес.

Здесь ДЕ(1) представляет собой гармоническое колебание со средней частотой (Оср=0.5((йг+Юс), амплитуда которого изменяется во времени по закону

. л> -(У. . (о. „_ . 5

2Ьмп—!-1 = гЕ^лп—Ч = 2Е_5ш — .

м 2 2 2

В инженерных задачах идут на некоторые упрощения, допустимые с точки зрения точности расчетов. Так, при исследовании поведения релейной защиты в асинхронном режиме следует помнить, что подавляющее большинство реле реагирует на действующее значение тока (напряжения)

при этом время наблюдения за сигналом составляет один или почти один период промышленной частоты (20мс, см. рис.5). В таком случае при «н 5 6.28 с-1 (Г 5 1Гц) на отрезке времени Д1 = 20мс можно считать Ет(1)=сопз1 и рассматривать ДЕ(0 как гармонический сигнал со средней частотой ю1Т и постоянной амплитудой. В связи с этим соображением допустимо рассматривать асинхронный режим как одночастотный, т.е. наличие в схеме как бы одночастотной ЭДС. Это упрощение помогает раскрытию картины асинхронного режима, выяснению основных закономерностей и получению приближенной количественной оценки параметров. Именно такой подход использовался в настоящей главе. На этом основании все последующие исследования проводились сравнительно просто в соответствии с разработанными методами анализа электрических цепей на одной частоте. В связи с этим в диссертации были разработаны диаграммы в комплексной плоскости сопротивлений с расположением годографа г в функции угла б, скольжения 5 • и степени потери возбуждения (рис.6 а,б). По годографу -(8, 5", Е) релейная защита фиксирует причину возникновения асинхронного хода — есть ли это следствие потери возбуждения или внешнего короткого замыкания.

Рис.7.

Заключение.

Диссертация посвящена разработке математических моделей измерительных органов релейной защиты и исследованию на ЭВМ переходных процессов в устройствах защиты.

Из основных разработок отметим следующие:

•1. Предложена новая классификация реле, в основу которой положена математическая модель обработки входного сигнала с целью его идентификации. Основой математической модели является' нелинейный блок и частотная фильтрация сигнала.

2. Разработана математическая модель измерительного органа релейной защиты для различных сочетаний нелинейных элементов, частотных фильтров и компараторов. Разработаны алгоритмы и программы исследования реле на ЭВМ.

3. Проведены исследования динамики работы измерительных реле на ЭВМ. Исследования выполнены при гармоническом входном сигнале, а также при сложном сигнале в виде суммы гармонических и апериодических составляющих.

4. Даны рекомендации по выбору типа нелинейного преобразователя и частотного фильтра для построения измерительного органа релейной защиты. Показаны достоинства и недостатки различных видов нелинейных преобразователей.

Даны рекомендации по выбору параметров нелинейных элементов и частотных фильтров для получения заданных динамических характеристик реле.

5. Исследовано поведение измерительной части релейной защиты при асинхронном ходе в энергосистеме. При малых скольжениях допустимо оперировать одночастотным сигналом, что значительно упрощает анализ действия защиты в асинхронном режиме.

В комплексной плоскости сопротивлений построены векторные диаграммы при асинхронном ходе генератора. На диаграммах выделены зоны неправильного действия дистанционной защиты в асинхронном режиме. Предложены способы блокировки защиты от неправильных действий.

" 6. Математические модели измерительной части релейной защиты и программы для ЭВМ могут быть использованы в учебных целях для исследования переходных процессов в устройствах релейной защиты.