автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование и разработка обучаемых модулей микропроцессорных защит линий электропередачи

На правах рукописи

МАРТЫНОВ Михаил Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОБУЧАЕМЫХ МОДУЛЕЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ЗАЩИТ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Специальность 05.14.02 Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чебоксары 2014

005554183

е НОЯ 2014

005554183

Официальные оппоненты:

Работа выполнена на кафедре теоретических основ электротехники и релейной защиты и автоматики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» (г. Чебоксары).

Научный руководитель: Лямец Юрий Яковлевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теоретически х основ электротехники и релейной защиты и автоматики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Любарский Дмитрий Романович

доктор технических наук, заместитель генерального директора по научной работе Открытого акционерного общества (ОАО) «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ» (г. Москва)

Лачугин Владимир Федорович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией информационно-измерительных и управляющих систем в электроэнергетике Открытого акционерного общества «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН», г. Москва)

Открытое акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт релестроения с опытным производством» (ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары)

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д212.301.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» в зале заседания Ученого совета (г. Чебоксары, ул. Университетская, д. 38, библиотечный корпус (корпус № 3), третий этаж, к. 301).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять на имя учёного секретаря диссертационного совета по адресу: 428015, г. Чебоксары Московский проспект, д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул Университетская, д. 38, библиотечный корпус, (8352) 45-02-07, library@chuvsu.ru) и на сайте www.chuvsu.ru.

Ведущая организация:

Автореферат разослан 27 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.301.02, к.т.н.

Серебрянников Александр Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. В настоящее время наблюдается высокая интенсивность исследований, направленных на совершенствование алгоритмов релейной защиты и автоматики (РЗА). Следует отметить американскую компанию SEL, шведскую ABB, китайскую NARI. Поиск эффективных алгоритмов РЗА ведется в чебоксарском релестрое-нии. Этим вопросам также посвящены труды иных отечественных школ релейной защиты.

Ключевым направлением, характеризующим современный этап развития микропроцессорной РЗА, стала интеллектуализация систем РЗА, обусловленная развитием единой электроэнергетической системы, созданием активно-адаптивных сетей, внедрением элементов гибкой передачи электроэнергии, увеличением доли распределённой генерации. В условиях постоянного изменения режима работы защищаемого объекта добиться уверенного распознавания аварийной ситуации возможно при наличии у РЗА способности к обучению и адаптации.

Обучаемый адаптивный модуль РЗА способен изменять текущие параметры срабатывания в зависимости от наблюдаемого режима работы защищаемого объекта. Такой модуль должен обладать способностью объединять всю имеющуюся информациию как о текущем, так и о предшествующем режиме работы объекта, а также априорную информацию о его параметрах и структуре. Внедряемый ныне стандарт МЭК61850 в рамках концепции цифровой подстанции подразумевает доступность одному устройству РЗА обширной информации о режимах работы всех элементов энергообъекта.

В диссертации разрабатываются методы объединения информации для решения задач РЗА. Информация о состоянии защищаемого объекта, представленная в объектном пространстве соответствующей размерности, отображается на плоскостях замеров, которыми оперируют модули РЗА. Разработанные методы обучения позволяют объединить всю имеющуюся информацию в одном алгоритме для достижения максимально возможной чувствительности РЗА при гарантированной селективности. Результаты теоретических исследований использованы в разработках устройств РЗА, выполненных при участии автора. В ИЦ «Бреслер» автора консультировали к.т.н. Ю.В. Романов, к.т.н. C.B. Иванов, к.т.н. В.А. Ефремов.

Целью диссертации является разработка обучаемых модулей микропроцессорных защит линий электропередачи на основе теоретических и прикладных исследований.

Основные задачи, решаемые в работе. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка и исследование обучаемых многомерных распознающих модулей РЗА

и способов их обучения.

2. Разработка и исследование способа распознавания сложного повреждения электрической сети.

3. Разработка метода эквивалентирования имитационных моделей электрической

сети.

4. Решение граничной задачи РЗА, ведущее к общей методике задания характеристик срабатывания модулей РЗА.

5. Исследование распознающей способности существующих алгоритмов фазовой селекции. Синтез многомерной распознающей структуры универсального фазового селектора.

6. Исследование и разработка обучаемых многомерных модулей отстройки дифференциально-фазной защиты от коротких замыканий за мощными ответвительными подстанциями линий электропередачи 110-220 кВ.

7. Исследование и разработка обучаемых модулей адаптивной дистанционной защиты линий электропередачи.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач применялись методы теоретических основ электротехники, теоретических основ релейной защиты, вычислительной геометрии, математического моделирования с использованием программного комплекса MATLAB.

Научную новизну работы представляют:

1. Разработанные многомерные распознающие структуры, отличающиеся по способу своего действия от традиционных алгоритмов РЗА инвариантностью по отношению к типу защищаемого объекта, позволяющие повысить распознающую способность защиты до физически возможного предела и оценить вклад в распознавание аварийной ситуации отдельного модуля в составе многомерной структуры.

2. Разработанный способ распознавания сложного повреждения электрической системы, позволяющий повысить распознающую способность защиты благодаря предложенной методике разложения сложного противостояния групп режимов на элементарные противостояния отдельных режимов.

3. Решенная в диссертации граничная задача РЗА как основа общей методики задания характеристик срабатывания.

4. Разработанная методика эквивалентирования, которая позволяет заменить исходную сложную многопараметрическую имитационную модель электрической сети эквивалентной моделью с минимальным числом варьируемых параметров.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием обоснованных методов исследования, обсуждением основных результатов работы с отечественными и зарубежными специалистами, совпадением результатов математического и экспериментального моделирования.

Соответствие паспорту специальности. Соответствие диссертации формуле специальности: в соответствии с формулой специальности 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы» (технические науки): в диссертационной работе целью исследования является совершенствование теоретической и технической базы одной из областей электроэнергетики с целью обеспечения надежной передачи электроэнергии, предметом исследований является алгоритмическая база РЗА, методы анализа распознающей способности существующих алгоритмов, методы синтеза новых алгоритмов, обладающих повышенной распознающей способностью, методы эквивалентирования имитационных моделей электрических сетей, методы задания характеристик срабатывания релейной защиты.

Соответствие duccepmaiiuu области исследования специалыюсти: отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 05.14.02, а именно:

- к п.б «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 относится разработанная методика экви-валентирования имитационной модели электрической сети с большим числом варьируемых параметров;

- к п.9 «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике» относятся методы условного отображения режимов при обучении модулей релейной защиты, способ распознавания сложного повреждения электрической системы, методика задания характеристик срабатывания реле в случае высокой размерности объектного пространства, результаты исследований распознающей способности существующих алгоритмов релейной защиты, разработанный универсальный фазовый селектор, модуль отстройки дифференциально-фазной защиты от коротких замыканий за мощными ответвительными подстанциями, обучаемые модули адаптивной дистанционной защиты.

Практическую ценность диссертации представляют разработанные в ней:

1. Методы обучения многомерных распознающих структур, примененные к синтезу алгоритмов релейной защиты, обладающих повышенной распознающей способностью.

2. Методика эквивалентирования имитационной модели защищаемого объекта с большим числом варьируемых параметров простой эквивалентной моделью с минимальным числом варьируемых параметров, что необходимо для сокращения вычислительных затрат при обучении РЗА.

3. Многомерная распознающая структура универсального избирателя поврежденных фаз.

4. Многомерный алгоритм модуля отстройки от коротких замыканий за мощными ответвительными подстанциями.

5. Обучаемые модули для адаптивной дистанционной защиты линий электропередачи.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты выполненных исследований и разработок использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах ООО «ИЦ «Бреслер» и внедрены или приняты к внедрению в различных устройствах релейной защиты, а именно:

1. Многомерная распознающая структура универсального избирателя повреждённых фаз внедрена в микропроцессорном терминале дифференциально-фазной защиты линий 500 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-500».

2. Многомерная распознающая структура модуля отстройки от коротких замыканий за мощными ответвительными подстанциями внедрена в терминале дифференциально-фазной защиты линий 110-220 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-110».

3. Обучаемый модуль сопротивления и виртуальный модуль приняты к внедрению в терминале адаптивной дистанционной защиты линий «ТОРЗОО АДЗ».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Многомерные распознающие структуры.

2. Способ распознавания сложного повреждения электрической системы.

3. Методика задания характеристик срабатывания релейной защиты как решение граничной задачи РЗА (задача триангуляции).

4. Методика эквивалентирования имитационной модели электрической сети.

5. Приложения теоретических результатов к задачам построения универсального фазового селектора и модуля отстройки от коротких замыканий за мощными трансформаторами ответвительных подстанций дифференциально-фазной защиты, а также обучаемых модулей адаптивной дистанционной защиты.

Личный вклад автора заключается в обнаружении эффекта повышения распознающей способности группы модулей при их последовательном совместном обучении, в дальнейшей разработке алгоритма последовательного обучения модулей, в участии в разработке способа распознавания сложного повреждения электрической сети, в развитии методики задания характеристик срабатывания релейной защиты для случая многомерного объектного пространства, разработке метода эквивалентирования имитационной модели электрической сети, в разработке модуля универсального фазового селектора, модуля отстройки дифференциально-фазной защиты от коротких замыканий за мощными ответви-тельными подстанциями, в разработке обучаемых модулей адаптивной дистанционной защиты.

Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и республиканских конференциях: «Current Trends of Power System Relay Protection and Automation Development» (Санкт-Петербург, СИГРЭ, 2011), «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России (II Международная научно-практическая конференция и выставка (РЕЛАВЭКСПО-2013))» (Чебоксары, 2013), «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС)» (Чебоксары, 2011), «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ)» (Чебоксары, 2012,2014), Республиканские научно-технические конференции молодых специалистов (Чебоксары, Академия электротехнических наук Чувашской Республики (АЭН 4P), 2010, 2011, 2012), «Человек. Гражданин. Учёный» (Чебоксары, ЧГУ, 2010), «45-ая научная студенческая (региональная) конференция» (Чебоксары, ЧГУ, 2011).

Публикации. Содержание диссертационной работы нашло отражение в 21 научной работе, из которых б из перечня ВАК, и в двух патентах на изобретение.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (140 наименований) и трёх приложений. Общий объём составляет 226 стр., в том числе основного текста 194 стр., 153 рисунка, 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложено состояние проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, представлена структура диссертации.

В первой главе приведен обзор источников и описаны разработанный алгоритм обучения модулей многомерной релейной защиты, получивший название способа последовательного условного отображения, а также способ распознавания сложного повреждения электрической сети. Процедура обучения интерпретируется как разрешение противостояния между контролируемыми и альтернативными режимами защищаемого объекта (а- и р-режимы). Задача обучения РЗА - не допустить срабатывания в (3-режимах и обеспечить максимально высокую чувствительность к а-режимам.

Режим работы защищаемого объекта определяется значениями объектных параметров его имитационной а- или р-модели. Варьируемые параметры служат координатами объектного пространства Са или Ср (рис. 1). Режим задаётся точкой в этом пространстве,

координаты которой определяют вектор объектных параметров ха или хр. Например, в

расстояние до места повреждения, Л/ - переходное сопротивление в месте повреждения, 3 - угол передачи. Множество режимов задаётся областью СсС (рис. 1).

Посредством преобразования 21 = /•*, (х), выполняемого имитационной моделью

объекта, режим х отображается в соответствующую точку ъх на плоскости первого замера. Всё множество режимов хе С в объектном пространстве в отображается на первой плоскости областью = ^ (О) замеров г, .

Область срабатывания первого модуля защиты определяется как собственная а-область 5аа| = 5а1 \5„р1 = 5п1 - разность отображений областей Си и (рис. 1). На

плоскости А, первого замера определяются безусловные отображения 5'п1 = (Са),

5р1 = Fpl(Gp), их пересечение 5ар1 = 5а1 П5р1 и собственная а-область 5аи1 = 5а1 \5ар1.

Условные отображения вводятся, начиная с обучения второго модуля: условия отображения на второй плоскости Аг и последующих плоскостях связаны с выделением тех а-и р-режимов, которые не удалось различить на предыдущей плоскости. Соответствующие

операции и представляют собой обратные преобразования взаимной области

5ар,, а именно ва1 = . <Зр1 = ^",'(5^,) , и теперь уже условные отображения на

вторую плоскость: = , = ' где в общем случае обнаружится

своя взаимная область Ж = П Ж" и остающаяся после её исключения область сра-

трёхмерном пространстве защищаемой линии электропередачи

батывания второго модуля = ХЯр5^. На рис. 1 показан частный случай: области и ^яТ не пересекаются, = 0 .

Рис. 1. Иллюстрация процесса последовательного условного отображения режимов на двух плоскостях Л] и А2 замеров и г2

Модули, обученные по методу последова-

тельного условного отображения, объединяются по схеме рис. 2. Положительный эффект последовательного условного отображения режимов обеспечивается тем, что каждый модуль обучается только теми режимами, которые не смог распознать предыдущий модуль. В том случае, если бы модули обучались автономно, область

попала бы в зону безусловного отображение. 2. Логическая схема последовательной

распознающей структуры ния Р-режимов и стала бы недоступной для

распознавания.

Разработанный алгоритм последовательного обучения многомерных распознающих структур ставит своей задачей максимально полное использование имеющейся в распоряжении защиты информационной базы. Задача повышения достоверности доступной информации тесно связана с цифровой обработкой входных величин. В диссертации рассмотрена задача дешумизации входных сигналов с помощью сингулярного анализа.

В первой главе также описан разработанный способ распознавания сложного повреждения электрической системы. Его особенность заключается в разложении сложного противостояния групп режимов на элементарные противостояния, что иллюстри-

Рис. 3. Имитационная модель электропередачи

руется на примере задачи фазовой селекции - распознавания повреждения фазы А электрической сети вследствие какого-нибудь несимметричного замыкания на землю. Информационную базу релейной защиты в данной задаче составляют три тока, наблюдаемых в текущем режиме электропередачи (рис. 3).

Варьируемые параметры имитационной модели приведены в табл. 1. Заметим, что при двухфазных земляных КЗ варьируется на одно переходное сопротивление больше, чем при однофазных КЗ. Фиксированы напряжения источников: Е5 = Е,. = (Уф_ном = (500/л/3) кВ ,

длина линии / = 280 км , первичные параметры линии прямой и нулевой последовательностей в

Таблица 1. Варьируемые параметры имитационной модели по рис. 3

Параметры а- Диапазоны

и (или) р-режимов изменения

0...1

К/Аа>К]Ва>К/Са 0 1? и... Луапред

0...ОО

<5 = агЕ (Е,1БГ) -60°... 60°

Хл 140. ..160 Ом

Хл 100...1100м

Х,о/Хг1 0,4...0,5

2,5...3,0

К« 1К^

К(» Аа 1 К^

Аа лвср

&

Ом/км: Х° = 0,302, = 0,12 , = 0,696,

Яц = 0,27 . Предельное значение Яу-апред переходных сопротивлений в а-режимах определялось из условия распознавания всего множества ва, иначе говоря, из условий Оа = Саа , Оар = 0 .

Гальваническая связь с землей одной из фаз электрической системы - сложное событие. Сложность обусловлена, во-первых, существованием трех разнотипных а-режимов: однофазного КЗ

Кл1 и двухфазных КЗ , К^'Ц , а во-вторых,

их противостоянием с тремя (3-режимами:

однофазными КЗ К(Вр , Л^р и двухфазным

АВа' Ср

-АВа 1ЛЯСР

&

^■аср ■ Создание информационного портрета

структуры, распознающей сложное повреждение объекта, начинается с разграничения противостоящих элементарных событий. В данной задаче насчитывается девять таких

-> пар, обозначаемых по типу К^ | Кдр . Каж-

дое элементарное противостояние разрешается отдельным распознающим модулем, а вся распознающая структура насчитывает девять модулей, группируемых по три логическими операциями «И» (рис. 4).

Информационный портрет распознающей структуры по рис. 4 представлен в Рис. 4. Структура, распознающая табл- 2> 3- 3амеР в виде соотношения токов

причастность фазы А к замыканию на землю обратной и нулевой последовательности

/2//0 обладает способностью разрешать

ЛСАа I Лвр

риГ^ц)

ЛГЛа|ЛДСр|

&

четыре элементарных противостояния: | X™ .

(О | И1) ср •

VЧ I V'

Аа I К1

К

0,1)

I СЛа I Аср

ЛМ)

девяти (табл. 2, \ ). Поскольку остающиеся пять противостояний не удается разрешить на основе какого-либо одного замера, то применяется метод последовательных

условных отображений. Определяется второй дополнительный замер /,(/2 + /0), ввод которого вслед за замером /2 //0 позволяет решить остающуюся часть задачи.

В табл. 3 приведён пример разреше-

Таблица 2. Противостояние режимов, разрешаемое на одной плоскости

Режимы Замер / // , о.е.

а р

4> в 0 ■п ~

-0.2 " ~ ! г

-0.4

-0.6 ' V

-0.8 Г1 1

-0.5 0 0.5 1

Таблица 3. Пример разрешения противостояния

К

(П

- I Кна двух плоскостях А а 1 В Ср

НИЯ ОДНОГО противостояния | Адср .

Достигаемое при этом предельное значение переходного сопротивления в а-режиме Я/-апред составило 47 Ом.

Во второй главе рассмотрена задача эквивалентирования сложной имитационной модели электрической сети. Актуальность задачи подчеркивается тем обстоятельством, что имитационная модель объекта призвана обучать его защиту, однако использование сложной многопараметрической модели наталкивается на значительные вычислительные трудности, связанные с необходимостью расчёта разветвленной электрической сети во многих режимах её работы. Возникает задача эквивалентирования исходной модели простейшей моделью с минимальным числом варьируемых параметров. Такая возможность предоставляется методом эквивалентного генератора, но необходимо справиться с проблемой задания его параметров. Допустим, электрическая сеть по рис. 5, а имеет исходную модель по рис. 5, б, где ЕХ,Е2,ЕЪ - ЭДС систем ЭС1, ЭС2, ЭСЗ, РС - реле сопротивления. Красным цветом обозначены участки КЗ в зоне, синим - вне зоны. ток и напряжение в месте наблюдения, сопротивления систем, К^- переход-

ное сопротивление в а-режимах КЗ в зоне, Ят , Ят переходные сопротивления в

Р-режимах КЗ вне зоны, х/а - расстояние до места повреждения при КЗ в зоне, хт,х^2, *ЛЗЗ ~ расстояние до места повреждения при КЗ вне зоны на соответствующих участках,

Режимы Замеры

а р /2 //0 , о.е.

ВС

2 ■^Шк-- 2 106-------, _

1 0 '-ЯР* 0 -1 -ГЗШЁЁ Щ 10А

- 0 12 3 - 0 1 2

Длины линий электропередачи, /зн - длина защищаемой зоны. Ставится задача представления сети относительно конца защищаемой зоны эквивалентными генераторами а- и (3-режимов (рис. 6). Значения параметров сети приведены в табл. 4, диапазонов изменения параметров - в табл. 5. Исходная модель призвана обучить эквивалентные модели.

Задача решается путем отображения эквивалентных параметров на двух комплекс-

РС

ЭС1 л

Ш

ЛЭП1

а)

лэпз

эсз

ЛЭП2

ЭС2

-ИЗ

ных плоскостях и Еэ. На рис. 7 дана иллюстрация для параметров (З-модели.

I,

|РС

Р

■О

и,

Х/а *Х//31

1 Л ¡А

1 'Я и I1

' 1Д

77»

СУ

I

ГР 2

б)

V

Рис. 5 - Исходная сеть и её модель

Области отображений разбиваются на ТУ2 ячеек. Те пары, составленные из ячеек разных плоскостей, которые несут информацию о режимах эквивалентируе-мой части сети, выявляются следующим образом. Для каждой ячейки Д^р^

(рис. 7) на первой плоскости (/ = 1)

определяется множество отображающихся в ней режимов Д. Эти же режимы

отображаются на плоскости второго паРис. 6-Эквивалентные модели сети раметра £эр в подобласти 52 (Д^), а - в а-режимах, б - в (5-режимах которая содержит подмножество своих ячеек, образующих общие коды с ячейкой Д5Хрч первой плоскости (табл. 6). Подобная

операция проводится для всех ячеек области , и каждой ячейке на плоскости ставится в соответствие подмножество ячеек плоскости £эр . Как следствие, эквивалентная модель задаётся набором ячеек на плоскостях ¿эр и £эр , а кроме того граничными линиями Ь\ и ¿2 ■

Таблица 4. Значения параметров электрической сети

Параметр Еъ/Е] , о.е. <5| , град 8Ъ, град /), км /2 , км /3 , км /зн , км , Ом г3,ом

Значение 1,05 0 -10 100 100 200 85 1+/10 1+Л

Таблица 5. Диапазоны изменения параметров электрической сети

Параметр Е2/Е1 , о.е. 8г , град , Ом , град К/а, Ом Кф, Ом

Диапазон 0,95... 1,05 -30...30 1...10 70...90 0...100 0...ОО

Таблица 6. Коды ячеек подобласти 52 (А&! 10 ,

Рг 21 21 21 21 22 22 22 22 22 23 23 23 23 23 24 24

12 2 3 4 5 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 4 5

Рис. 7. Разбиение прямоугольников, охватывающих области отображения эквивалентных параметров Жэр и £эр, на Ы2 =1600 ячеек

Рис. 8. Отображение на плоскости ¿рс множества режимов исходной и эквивалентной моделей

На рис. 8 показана область срабатывания модуля сопротивления, обученного от эквивалентной модели сети при дроблении областей отображения её параметров на

ЛГ2=100 и Л?2 =1600 ячеек. Как видим, с увеличением числа ячеек модель всё более освобождается от избыточных режимов, приближаясь по своим информационным свойствам к исходной имитационной модели.

В этой же главе рассмотрена граничная задача, ведущая к об-

щей процедуре построения характеристик срабатывания релейной защиты и имеющая целью определение множества граничных режимов - прообраза границы области замеров,

Рис. 9. Имитационная модель двухпроводной линии I а- и р-режимах короткого замыкания

Таблица 7. Варьируемые параметры имитационной модели в а- и Р-режимах

задаваемого в объектном пространстве значениями вектора х варьируемых параметров имитационной модели. Располагая прообразом характеристики и имитационной моделью объекта, можно задать на плоскостях замеров г,- любое необходимое число граничных

точек. В работе рассмотрены различные аспекты граничной задачи на примере имитационной модели электропередачи в режиме короткого замыкания с шестью варьируемыми параметрами (рис. 9, табл. 7).

Наблюдаемые величины - ток / и напряжение Ц_, формируемый замер - комплексное сопротивление 2 = и_// . В табл. 7 использованы обозначения: К = Е5/Ег, 5 =

= аг8(Ж,/ЯГ), Х,=Х°х/, Х° -

удельное индуктивное сопротивление линии, ху - координата места повреждения. Помимо к числу фиксированных параметров принадлежит ещё длина линии /; в расчетах принято — 100 Ом. Длина защищаемой зоны принята равной 1/2, следовательно, сопротивление X { в а-режимах изменяется в пределах от 0 до 50 Ом, а в Р-режимах - от 50 до 100 Ом. Кроме того, различаются диапазоны переходных сопротивлений: в а-режимах их значения ограничены величиной 100 Ом, а в р-режимах они варьируются без ограничения по верхнему уровню. Объектные области Са и Ср представляют собой в данном примере шестимерные многогранники. На плоскости замера они отображаются в форме плоских фигур 5а и с граничными линиями Л5а и, соответственно, . В условиях рассматриваемой задачи характеристикой срабатывания органа сопротивления служит граничная линия Ь5аа разностной области замеров .

В рассматриваемом примере линия граничных замеров Ь5а состоит из большого числа участков (рис. 10). Протяжённый участок (показан пунктирной линией) представляет собой годограф вектора г при вариациях угла передачи 3 и фиксации остальных пяти параметров: Х^,Х$ и Я/а на верхнем уровне, а К и Хг -на нижнем.

Параметр Режим Значения

Нижнее (inf) Верхнее (sup)

ö,град а,р -60 60

Xf, Ом а 0 50

ß 50 100

Rf , Ом а 0 100

Р 0 оо

К, o.e. а,р 0,95 1,05

Xs , Ом а,р 0 100

Хг,Ом а,р 0 100

Рис. 10. Линия граничных замеров Ь3а при отображении а-режимов имитационной модели, заданных шестимерным многогранником параметров С , на плоскость Для построения прообраза Ьва линии граничных замеров Ь5а в данном случае оказалось достаточным привлечь четыре подпространства: два трёхмерных (рис. 11, а и г) и два двумерных (рис. 11, б и в).

Линия прообраза LGa непрерывна, из первого подпространства (рис. 11, а) во второе (рис. 11,6) она переходит в точке еа, из второго в третье (рис. 11, в) - в точке ga , из третьего в четвертое (рис. 11, г) - в точке та, наконец, возвращается в точку Ьа. На рис. 12, а (5-режимы отображены только в тех местах плоскости Z , где происходит их разграничение с отображениями а-режимов. Как видно из рис. 12, а, p-режимы оставляют для области срабатывания Sm лишь малую часть обширной области отображения а-режимов Sa .

Область Saa ограничивается сверху тем участком граничной линии Z.5(s, прообраз которого показан на рис. 12, б в трёхмерном объектном пространстве. Он проходит по одному из рёбер многогранника Gp , где —> var .

X, -> sup, X, -> inf. л

, lmZ.OM

Re Z, Ом УШх? " ha,ia

Рис. 12. Область отображения Р-режимов, пересекающаяся с областью отображения а-режимов (о), и прообраз верхней границы области 5аа (б)

В третьей главе дано практиче-

&

/

-в

Рис. 13. Наблюдаемый объект: линия 500 кВ

ское применение теоретических результатов на примере реализации фазового селектора, в котором не предусмотрены уставки, в том числе по длине линии, и не предполагается использование информации о предшествующем режиме. Наблюдаемый объект - линия электропередачи 500 кВ (рис. 13). Приняты диапазоны вариации параметров, указанные в табл. 8. Поставлена задача добиться распознавания режима КЗ при переходном сопротивлении до 100 Ом на некотором числе плоскостей замеров с участием замера напряжения.

В работе была исследована распознающая способность традиционных алгоритмов фазового селектора: на основе замеров токов симметричных составляющих и на основе замера сопротивления. Показано, что они не дают решения задачи. На рис. 14 представлены характеристики срабатывания многомерной распознающей структуры, способной распознавать повреждение фазы А на землю в диапазоне 0 < Я^ <100 Ом.

12, А

wu > рад

Рис. 14. Характеристики срабатывания 4-х модулей, входящих в многомерную распознающую структуру универсального фазового селектора

Многомерная распознающая струк-

Таблица 8. Диапазоны вариации

тура фазового селектора реализована в

ПЯПЯШРТППП

качестве опции в логике однофазного повторного включения в терминале дифференциально-фазной защиты линий 500 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-500» (рис. 18, а), выполненном при участии автора.

В четвертой главе рассмотрена вторая прикладная задача - отстройка от коротких замыканий за мощными трансформаторами ответвительных подстанций на линии 110 кВ с двусторонним питанием. На рис. 15 рассмотрен случай питания двух трансформаторов подстанции от одной линии электропередачи. Вариант, принятый на этапе внедрения модуля отстройки, охватывает все схемы подключения трансформаторов к питающим линиям. В качестве первого модуля принято реле проводимости 7М = , где ¡_з - комплекс тока текущего режима в мес-

те установки защиты; Ц_5 - напряжение текущего режима в месте установки защиты.

Параметр, раз- min max

S,° -60 60

X у , КМ 0 l

к Es =EslV ном. O.e. 0,94 1,05

кEr = Е,./ином, o.e. 0,94 1,05

Zs,, Ом 29,0 161,72

«g Ist'" 70 90

Zs0/Zsl,o.e. 0,9 3

70 90

Z,.J,OM 25,1 110,39

arg Zrl,° 70 90

Zr0/Zrl, o.e. 0,9 3

70 90

/, KM 10 500

8 Х,Щ 9,96

17.44 км

энергосистема малой мощности

мощная энергосистема

Рис. 15. Схема подключения двух трансформаторов к линии 110 кВ

Замер второго модуля формируется согласно выражению Хт =и,/ив, где ¿5ав - аварийная составляющая тока в месте установки защиты. Рассматривалась имитационная модель ЛЭП сетей «Янтарьэнерго». Диапазоны варьируемых параметров 0 < Х/ < 27,4 км, 0 < Д/о < 100 Ом, 0 < < ~ Ом,

0 < Хг < 50 Ом . На рис. 16 представлена объектная характеристика двух модулей для случая их автономного обучения и объединения по традиционной схеме ИЛИ. Из рис. 16 видно, что в конце защищаемой зоны данные модули способны распознать замыкания на магистральной линии при < 11 Ом .

На рис. 17, а показана область отображения контролируемых и альтернативных режимов для первого модуля в увеличенном масштабе.

^80 а;

60 40

Нераспознаваемые режимы

Рис. 16. Объектная характеристика автономно обучаемых модулей

На область нанесена

сетка, каждая клетка которой представляет собой

подобласть ¿"V,, где / -

номер клетки по оси абсцисс, у - по оси ординат.

1гпУ

ЕеД>, См

•0.015 -0.01 -0.005 0 0,005 0.01 0.015 0.02 0.025

1000 2000 3000 4000 5000

а) б)

Рис. 17. Распознающая структура модуля отстройки от КЗ за мощными трансформаторами ответвительных подстанций: а - плоскость первого модуля; б - пример отображения а- и Р-режимов на плоскости второго модуля, отображения которых на первой плоскости попадают в подобласть первого модуля

Согласно алгоритму обучения последовательного типа на плоскости второго модуля осуществляется отображение только тех а- и р-режимов, отображения которых попадают в

клетку первой плоскости. Такая процедура осуществляется для каждой из клеток. На

, - с2.18

рис. 17, б показан пример отображения а- и р-режимов на второй плоскости для клетки ла|)1 .

Аналогичным образом можно показать, что для каждой клетки по рис. 17,а на плоскости второго реле наблюдается расхождение областей а-и Р-режимов. Иными словами, распознающая структура модуля отстройки от КЗ за трансформаторами отпаек позволяет распознавать режимы КЗ при 0 < < 100 Ом. Обучаемая

многомерная распознающая структура модуля отстройки от коротких замыканий за мощными трансформаторами ответвлений реализована в терминале дифференциально-фазной защиты линий 110-220 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-110» (рис. 18, б), разработанном при участии автора.

В пятой главе теоретические положения, представленные в двух первых главах, применены к разработке обучаемых модулей адаптивной дистанционной защиты с высокой распознающей способностью (задание ОАО «Тюменьэнерго»). Подготовлена имитационная модель защищаемой линии и проведено сравнение распознающей способности традиционного модуля сопротивления, характеристика которого рассчитана по рекомендациям традиционной методики расчёта уставок (рис. 19, а), и нового модуля, характеристика срабатывания которого получена посредством его обучения множеством режимов (рис. 19, б).

Замер реле 2тр по рис. 19 формируется согласно выражению ¿т.р(¿л -^о)/^?) > гае На ~ Ф33"06 напряжение в месте наблюдения; ¿А - ток фазы А в месте наблюдения; /0 - ток нулевой последовательности в месте наблюдения; 2° , - удельные сопротивления прямой и нулевой последовательностей.

Проведенные исследования показали, что характеристика срабатывания, полученная на основе обучения множеством режимов, позволяет охватить большее число режимов КЗ в зоне, что дает ощутимое повышение чувствительности, иллюстрируемое объектными характеристиками распознавания однофазного КЗ (рис. 20).

Рис. 18. Терминалы дифференциально-фазной защиты ТОРЗОО ИЦ «Бреслер»: а - линий 500 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-500» с логикой однофазного повторного включения;

б - линий 110-220 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-110» с модулем отстройки от КЗ за мощными трансформаторами ответвительных подстанций

а) б)

Рис. 19. Характеристики срабатывания модуля сопротивления: а - полученные на основе расчета по традиционной методике, б - полученные на основе обучения множествами а- и

р-режимов

Помимо обучаемого модуля сопротивления, в состав адаптивной дистанционной защиты входит обучаемый виртуальный модуль, использующий информацию о предшествующем режиме электропередачи. Его замер формируется согласно

5 100 О

С,

____ 1 1

" "—*----- 1 "—— Ху, К

20

36,551 км

зо

Рис. 20. Объектные характеристики модуля с полигональной характеристикой (/) и обучаемого модуля (2)

выражению 7

где ЦА/

расчетное напряже-

ние в конце зоны.

На рис. 21 красным цветом выделена характеристика срабатывания виртуального реле, синим - области отображения альтернативных режимов.

Я, Ом

150 200

, КМ

Рис. 21. Область срабатывания виртуального модуля (показана красным цветом) и области отображения р-режимов (показаны синим цветом)

36,551 км

Рис. 22. Объектные характеристики модулей традиционной и адаптивной дистанционной защиты

Совместное использование обучаемого модуля сопротивления (рис. 19, б) и виртуального модуля (рис.21) позволяет значительно повысить распознающую способность дистанционной защиты (рис. 22). Разработанный алгоритм принят к внедрению в терминале «ТОРЗОО АДЗ».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана модификация метода условного отображения режимов - метод последовательного обучения модулей РЗА. Приведены алгоритмы этапов обучения и условия срабатывания модулей, прошедших обучение. Предложенный метод решает задачу объединения информации в устройстве РЗА.

2. Разработан способ распознавания сложного повреждения электрической системы, позволяющий разрешать сложное противостояние групп режимов через разрешение элементарных противостояний. Способ применён в разработке универсального фазового селектора.

3. Разработана методика эквивалентирования сложной имитационной модели электрической сети. Получаемые на основе метода эквивалентные модели обладают минимальным числом варьируемых параметров и гарантируют воспроизведение всех режимов исходной модели практически без захвата избыточных режимов. Применение эквивалентных моделей делает обучение модулей РЗА относительно несложной процедурой.

4. Поставлена граничная задача релейной защиты, связанная с поиском граничной линии области замеров и её прообраза в пространстве режимов. Показано, что прообраз является той первоосновой, которая создаёт характеристики срабатывания модулей РЗА. Приведен пример решения задачи поиска прообраза в объектном пространстве высокой размерности.

5. Синтезирована многомерная распознающая структура универсального фазового селектора для линий 500 кВ, которая реализована в логике однофазного повторного включения в микропроцессорном терминале дифференциально-фазной защиты линий 500 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-500», разработанном при участии автора.

6. Дана постановка задачи разработки органа отстройки дифференциально-фазной защиты линий 110-220 кВ от коротких замыканий за мощными трансформаторами ответвлений. Проведён анализ распознающей способности двух модулей, обученных автономно. Показана неприменимость автономного обучения реле для решения поставленной задачи. Синтезирована многомерная распознающая структура, решающая поставленную задачу. Соответствующий модуль реализован в терминале дифференциально-фазной защиты линий 110-220 кВ «ТОРЗОО ДФЗ-110», разработанном при участии автора.

7. Развитые в диссертации теоретические положения применены в разработке обучаемых модулей адаптивной дистанционной защиты. Показано значительное повышение чувствительности защиты по сравнению с традиционным алгоритмом. Обучаемые модули приняты к внедрению в терминале «ТОРЗОО АДЗ», разработанном при участии автора.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК

1. Мартынов М.В. Обучаемая релейная защита. 4.1. Методы условных отображений/ Ю.Я. Лямец, М.В. Мартынов, Г.С. Нудельман, Ю.В. Романов, П.И. Воронов // Электричество -2012. - № 2. - С. 15-19. (0,58 п.л. / 0,22 пл.).

2. Мартынов М.В. Обучаемая релейная защита. 4.2. Информационный портрет многомодульной распознающей структуры / Ю.Я. Лямец, М.В. Мартынов, Г.С. Нудельман, Ю.В. Романов, П.И. Воронов // Электричество. - 2012. -№ з. _ с. 12-18. (0,75 п.л. / 0,16 п.л.).

3. Мартынов М.В. Граничные задачи в информационной теории релейной защиты / Ю.Я. Лямец, Г.С. Нудельман, Ю.В. Романов, М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Электротехника -

2011. -№ 1.-С. 13-18.(0,69 п.л. / 0,21 п.л.).

4. Мартынов М.В. Распознавание противостоящих режимов электрической системы/ Ю.Я. Лямец, Г.С. Нудельман, Ю.В.Романов, М.В.Мартынов, П.И.Воронов // Нелинейный мир. - 2011. - Т. 9. - № 9. - С. 600-606. (0,75 п.л. / 0,31 п.л.).

5. Мартынов М.В. Сингулярный анализ процессов в электрических системах / Ю.Я. Лямец, Ю.В. Романов, М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Известия РАН. Энергетика. -

2012. - № 5. - С. 22-29. (0,92 п.л. /0,18 п.л.).

6. Мартынов М.В. Граничная задача релейной защиты / Ю.Я. Лямец, М.В. Мартынов // Электричество.-2013.-№ 10.-С. 16-22.(0,81 п.л./0,36 п.л.).

Публикации в других изданиях

7. Martynov M.V. Relay protection as a trained observer for power system opposite conditions / Yu.Ya. Lyametz, G.S. Nudelman, Yu.V. Romanov, M.V. Martynov, P.I. Voronov // Current Trends of Power System Relay Protection and Automation Development. - St. Petersburg, 2011. - С 1-9. (1,04 п.л./ 0,29 пл.).

8. Мартынов М.В. Теоретические основы релейной защиты: формирующиеся разделы / Ю.Я. Лямец, Г.С. Нудельман, Ю.В. Романов, П.И. Воронов, М.В. Мартынов, A.A. Белянин // Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России: Сборник тезисов докладов II международной конференции. - Чебоксары, 2013. - С. 92-95. (0,46 пл. / 0,11 пл.).

9. Мартынов М.В. Канонические структуры многомерной релейной защиты / М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России: Сборник тезисов докладов II международной конференции. - Чебоксары, 2013.- С. 101-102. (0,12 п.л./0,07 пл.).

Ю.Мартынов М.В. Иерархия параметров защищаемого объекта / Ю.Я. Лямец, М.В. Мартынов // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ-2012): Материалы VIII всероссийской научно-технической конференции. - Чебоксары, 2012. -С. 245-249. (0,23 п.л. / 0,1 пл.).

П.Мартынов М.В. Методика обучения реле сопротивления / М.В.Мартынов, В.В. Скворцов, Н.С. Васильева // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ-2012): Материалы VIII всероссийской научно-технической конференции. -Чебоксары, 2012. - С. 259-263. (0,26 п.л. / 0,12 п.л.).

12. Мартынов М.В. Граничные задачи в теории релейной защиты / Ю.Я. Лямец, Ю.В. Романов, М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2010.-№ 1. - С. 16-18. (0,35 пл./0,11 пл.).

13. Мартынов М.В. Локализация наблюдаемых режимов электрической системы / Ю.Я. Лямец, М.В. Мартынов, Ю.В. Романов, П.И. Воронов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2010. -№ 1. - С. 18-21. (0,35 п.л. / 0,07 п.л.).

14. Мартынов М.В. Распознавание двухфазного замыкания на землю с металлическим замыканием в отстающей фазе / Ю.Я. Лямец, Ю.В. Романов, П.И. Воронов, М.В. Мартынов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2010. - № 1. - С. 21-24. (0,35 п.л./0,08 п.л.).

15. Мартынов М.В. Дедуктивный метод обучения релейной защиты / Ю.Я. Лямец, М.В. Мартынов, Ю.В. Романов, П.И. Воронов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2010. - № 1. - С. 24-27. (0,35 п.л. / 0,1 п.л.).

16. Мартынов М.В. Распознающие структуры универсального фазового селектора / Ю.В. Романов, М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2011. - № 1. - С. 18-23. (0,64 п.л. /0,12 п.л.).

17. Мартынов М.В. Адаптивное реле сопротивления. Дробление режимов работы защищаемого объекта / М.В. Мартынов, В.В. Скворцов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2012. - № 1. - С. 29-32. (0,35 п.л. / 0,17 п.л.).

18. Мартынов М.В. Приложение сингулярного анализа к обработке зашумленных сигналов / М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. - 2012. - № 1.-С. 71-72.(0,23 п.л./0,1 п.л.).

19. Мартынов М.В. Engineering aspects of relay protection information theory / M.B. Мартынов, П.И. Воронов // Человек. Гражданин. Ученый: Сборник трудов Регионального фестиваля студентов и молодёжи Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова. - Чебоксары, 2010. - С. 74. (0,06 п.л. / 0,04 п.л.).

20. Мартынов М.В. Прикладные аспекты информационной теории релейной защиты и автоматики / М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Человек. Гражданин. Ученый. Сборник трудов Регионального фестиваля студентов и молодёжи Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова. - Чебоксары, 2010. - С. 193-194. (0,06 п.л. / 0,03 пл.).

21. Мартынов М.В. Эквивалентирование электрической системы / Ю.Я. Лямец, П.И. Воронов, М.В. Мартынов // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ-2014): Материалы XI всероссийской научно-технической конференции. - Чебоксары, 2014. - С. 261-272. (0,66 п.л. / 0,41 п.л.).

Патенты

22. Мартынов М.В. Способ распознавания сложного повреждения электрической системы / Ю.Я. Лямец, С.В. Иванов, Ю.В. Романов, М.В. Мартынов // Патент РФ № 2444829, МПК Н02НЗ/40. Опубл. 10.03.2012, Бюл. № 7.

23. Мартынов М.В. Способ релейной защиты энергообъекта / Ю.В. Романов, М.В. Мартынов, П.И. Воронов // Патент РФ № 2461110, МПК Н02НЗ/40. Опубл. 10.09.2012, Бюл. № 25.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: [1_4; 6] - участие в разработке основных теоретических положений и иллюстрации их на примерах; [5] - участие в разработке теоретических положений, имитационных моделей и иллюстрации положений на примерах; [7-21] - участие в разработке и проверке теоретических положений; [22, 23] - участие в создании изобретений.

МАРТЫНОВ Михаил Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОБУЧАЕМЫХ МОДУЛЕЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ЗАЩИТ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 20.10.2014 г. Формат 60x80 1/16. Печ. л. 1,0. Печать цветная. Тираж 100 экз. Заказ № 315

Отпечатано в типографии «Крона» 428024, Чувашия, Чебоксары, пр. Мира, д.9, офис 115