автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка адаптивного алгоритма расчета токов короткого замыкания для целей релейной защиты и автоматики энергосистем



Я^ОШСТЕрЙю ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

На правах рукописи

АЛЬ-ТАЙЕБ АБДУ кМ АХМЕД

УДК 621,311.018

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОГО АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДЛЯ ЦЕЛЬ'! РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

*

Специальность 05.14:02 - Электрические станции (электрическая

часть), сети, электроэнергетические ситемы и управление ими

ABI OPE ф ЕРАТ

диссертации luv соискание уч«ной .степени кандидата технических наук

ïa».c«KT

- ю'43

Работа "выполнена на кафедре "Электрические станции" Ташкентского ; государственен) технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук,

проф. Т. X. Насыров Научный консультант - кандидат технических наук,

- доц. Х.А. Шамсиев Официальные оппоненты : донатор технических наук

X. Г. Каримов кандидат технических наук С. Ж. Хайдаров

Ведущее предприятие - "Увэнергоналадка" Минэнерго РУв

. Защита состоится " июля 1993 г. в 10.00 часов на Заседании специализированного совета К 067.07. й£з при Ташкентском. государственном техническом университете (700095, Ташкент, Вуагородок, Универскгетиская 2, ТГТУ, энергетический центр, ауд. 341).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ. Ваш отзыв просим направить по указанному .адресу ученому секретарю совета

Автореферат разослан "-Д^-"------1093 года.

• •

Ученый секретарь специалиэированого совета К 067.07.0?3 доцент С \/ Б. А. Абду.плаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектирования и эксплуатации объектов электроэнергетических систем (ЭЭС) производится большой объем расчетов токов короткого замыкания (7КЗ). Алгоритмы точного расчета действующих знрчений периодических олагакмвдх ТКЗ (Int) в сложных ЭЗС с использованием полных моделей электрических машин,на практике не получили применения по ряду „ причин.

Одна из них обусловлена слогаоетью решения уравнений полной модели из-за высокого порядка системы ди#ерекцальт;х уравнений и наличия периодически и&меняющпхся параметров. Основная .те причина состой г в практической неэозмо.»мости точного аналитического описания для действующих значений переменных статорных цепей, действия АРВ, комплексных нагрузок. Упрощенные модели, широко используемые в расчетах устойчивости, в задачах расчета ТКЗ также не получили применения з связи с необходимость» решения систем, в общем случае, нелинейных дифференциальных уравнений для мгновенных значений. Поэтому является актуальной задача разработки универсальных адаптивных алгоритмов расчета Int при К3,предназкаченых для широкого применения с использованем ЭВМ.

Цель работu и задачи исследования. Настоящая работа посвящена разработке универсального адаптивного 'алгоритма расчета действующих значений ТКЗ, изменяющихся во времени, предназначенного для широкого применения с использованием персональных ЭВМ, в частности для целей релейной зазцкн и автоматики ЭЭС.

Методы исследования. Р. работе используются теория математического моделирования переходных электрических режимов энергосистем и алгоритмы репения систем линейных алгебраических уравнений.

Научная новизна:

- Обоснована необходимость учета качаний в расчетах токов КЗ длительностью более О.5 сек.;

- Разработан универсальный адаптивный алгоритм расчета ТКЗ с учетом качаний генераторов;

- Предложен модифицированный интервальный метод расчета ТКЗ, сскоьак'кй на совместном использовании методов расчета устойчивости и узловых уравнений стационарного режима

П^/^ическая ценность работы заключается в возможности эффективного использования предложенного алгоритма расчета ТКЗ "j с учетом качаний генераторов для целей релейной заняты, автоматики и выбора оборудования ЭЭС. Разработанный алгоритм позволяет по сравнению с существующими практическими методами существенно увеличить точность и скорость расчета Основным достоинством розрабстаного алгоритма является то, что он учитывает реальные параметры генераторов и доаварийного режима.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научно-технической конференции профессоров, преподавателей, аспирантов и научных работников ТГТУ (193?. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы ДЕе печатных работы.

Структура работы. Лиссертацш состоит из введения, четырех глав, в включения, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации., с^юрмулнрозана цель и основные задачи исследования, дана характеристика и краткое содержание работы.

В первой главе приводится обзор литературных источников по методам расчета токов КЗ .

Действующие значения токов и напряжений при коротком зависании могут быть достаточно точно рассчитаны без решения дифференциальных уравнений лишь для начального момента времени и установившегося режима, для которых известны ЗДС и другие параметры синхроных машин.

Для произвольных моментов времени переходного процесса (ПП) значения периодических составляющих (Int) - достаточно строго могут быть определены лишь путем совместного решения J алгебро-дифференциальных уравнений электрической сети и электрических машин. Поэтому до настоящего времени широко используются так называемые практические методы, позволяющие приближено определить Int без решения дифференциальных уравнений. Так. метод расчетных кривых, основанный на применении заранее построенных кривых изменения Int-f(Хкз), позволяет определить периодическую слагающую дашь в точке КЗ. Метод спрямленных характеристик позволяет приближенно определить параметры Е(t), X(t.) генераторов по кривым, рассчитанным для параметров типовых генераторов. Практические методы позволяют определить аварийные величины весьма приближенно, что вынуждает при расчетах • релейной защиты и автоматики вводить различные козф-

фицленты надежности, достигающие значений 1.2 и более. • Кроме того, в отих методах принят ряд допущений С неучет изменения угла '¿ДО, т.е. качаний в электрической системе, приближенный учет нагрузок, АРВ и т.д.). Метод же кривых предельного времени (интегральных кривых), обеспечивающий возможность упрощенного расчета качаний путем оценки угла между ЭДС двух групп генераторов в функции от расчетного (приведенного) времени, также является очень приближенным и ориентирован на не. - .'¿зевание в прсстейиих схемах. Как показано в дальнейших главах, использование этих методов приводит к большим погрешностям при расчетах токов КЗ большой длительности, несмотря на то, что они на них ориентированы.

Поэтгчу для качественного повышения точности расчетов ТКЗ необходим более полно учесть процессы в генераторах и нагрузках (изменение углов ЭДС, полные сопротивления нагрузок, АРВ генераторов и др.), уточнить математические модели электрической сети и полностью автоматизировать расчеты, освободив расчетчиков от' необходимости использования различных расчетных кривых, номограмм и т. д.

Ро второй глазе на основе анализа раз ли чти методов моделирования элементов УЭС, используемых в расчетах токов КЗ и устойчивости, составлены математические модели для расчета токов КЗ с учетом качаний.

Отмечено, что анализ ГШ с у.сшиъаоьанеы полных уравнений Ш в мгновеных значениях леременых, сопряжен с большим вычислительными затратами для решения систем деффереяциачьных и ап'ебрличес!скх уравнений. Такие модели могут быть использован:-; лишь для выполнения эталонных расчетов .

Более пироко примененяотся в расчетах устойчивости различные уг.роиеяние модели синхронах генераторов, получаеше via полных уравнений при определенных допущениях. Наиболее часто используется модель, получаемая при пренебрежении апериодической составляющей тока статора и периодически»,« составляющими токов роторных цепей. При этом основными являются уравнение электромагнита ПП в обмотке вгэбуздения

Tdo (dEq / dt.) - Eqe - Eq

и уравнение движения ротора

Tj (d"6 / dt) - Рмх -Рэ ,

где Tdo - постоянная времени обмотки возбуждении;

Tj - постоянная инерции агрегата.

Рассматривая ГШ как ряд следующих друг за другом установившихся режимов, в известном методе последовательных интервалов эти дифференциальные уравнения заменяют уравнениями в конечных разностях и для каждого из интервалов получает алгебраические уравнения. Уравнения состояния электрической сети задастся в форме баланса мощностей при представлении нагрузок статическими характеристиками по напряжению.

Наряду с приведенной моделью используется упрощенная модель, уравнения которой получайте;: при представлении нагрузки неивмэными сопротивлениями. В этом случае из уравнений стационарного состояния электрической системы могут быть исключены пассивные углы, включая нагрузочные, и получена схема, соот-

ветствующая матрице собственных и взаимных проводимостей (СВП) генераторов.

В этой модели огибающие фиктивных ЕС} и переходных Ес[ ЭДС генераторов связаны линейной системой

А Еч - С Е(3 ,

где АС О - 1 / (ВДО-ХаСО). С(1.0 -А(1) - У(1,0 Соз«(1,1),

С(1.Л) - У(1.Л) С05(б(и) -<Х(1,з)) . а электрическая мощность

Рг- 1) » Е0(1) У(1.1) Зт0<( 1,1) +

л Jгi

¿гС

где 6(о) - взаимные углы роторов генераторов,

0((1,Л- дополнительные угли элементов матрицы СВП Еще более упрощенная модель получается в предположении, что действием АРВ обеспечивается постоянство некоторой ЭДС за эквивалентным реактивным сопротивлением, зависящим от характеристик регулятора возбуждения (позиционная модель).

Дальнейшим упрощением моделей является переход к консервативным моделям, для которых дополнительный угол равен нулю, что соответствует традиционной методике расчета без учета взаимных углов роторов генераторов.

11а основе проведенного анализа для расчета действующих

значений Int выбрана модель с учетом нагрузок полными сопротивлениями.

В третьей главе работы изложен разработанный адаптированный алгоритм расчета Int для произвольного момента времени, предназначенный для широкого применении с использованием персональных ЭВМ,в частности, для целей релейной заш/ты и системной автоматики ЭЭС.

Предложен модифицированный интервальный метод расчета Int, основанный на совместном использовании методов расчет-а устойчивости и узловых уравнений стационарного режима. Шл принят ряд допущений . Механический момент Ммх принят постоянным, нагрузки заданы упрощенно в виде постоянных полных сопротивлений, действие ЛРВ при КЗ учитывается в виде форсировки возбуждения , т. е. экспоненциального изменения вынужденной ОДС Eqo-i(t). Явнополюсность синхронных машин учитывается введением в расчет Фиктивных ЭДС EQ и сопротивлений Xq.

В исходном режим« задаются из расчета предшествующего режима начальные значения .-.солютных углов б(1)о и переходных ЭДС Eq( 1)0. Определяются матрицы СВП генераторов для исходного, аварийного и поелеаварийного режимов. Форсировка и расфорси-ровка возбуждения генераторов вводится в зависимости от заданных уставок по напряжению : Форсировка при Ur < 1)уст1 по закону

Uft - UfO + (l'fnp - UfOKl- exp(-t/Te)), расфорсировка после отключения КЗ при Ur > U уст2 по закону

иг - игирасф) - (Uf(tpacfc) - UfO)(l - exp(-t/Te)),

- 10 -

где Те - эквивалентная постоянная времени возбудителя.

Далее расчет проводится методом последовательных интервалов в следующем порядке. В начале каждого интервала (включая

первый) по известным значенем ЕсК1) и 6(1) определяется ЭДС

/

Е0(1) решением системы уравнении вида А Ед - С ЕС .Затем находятся значения ЭДС Еа(0 из уравнении связи с ЕсКО и ЕСКО.

Приращение определяется на каждом интервале из вы-

ражения в конечных разностях

дЕ^(1)-(Ече(1) - вди )/таос

Приращение угла находится из реккурентного соотношения

.. 6(1),л - дб(1)п-1+ К(0 гЛОл-^

где К( 1)- 31¿/TJ( 1).

По полученным на каждом шаге значениям ЭДС генераторов определяется задающие токи в правой части системы уравнений узловых напряжений электрической сети Ус и - I.

Указанные выше процедуры повторяется для задакого интервала времени КЗ и его отключения. Токораспределение в схеме рассчитывается по полученным значениям напряжений узлов и полной матрице узловых проводкмостей сети Ус.

Еяок-схрыа программы , составленной для ПЭВМ ,по данному алгоритму приведена на рис. 1.

Программа позволяет рассчитывать режимы КЗ в схемах ой?, смом до 30 генераторных станций.

^1в^>тан глава посвящена экспериментальным исследованиям разработанного алгоритма расчета токов КЗ с учетом тачаний генераторов. Расчеты по разработанной программ проводились на

Ввод исходних данных сети и генераторов

Расчет эл.мощности машин: Р( 1)=Е0(1 )Уз1п( (1.1)+

+£Е0(1)Ш \ ти )з1п(б(и )-«(1л)) _^___

Определение небалансов мощности ЛР( 1 )-РК 1 )-Р( 1)

Расчет угловых перемещений роторов 7

Ай(п)=йб(п-1 )+к( 1 )♦ др^сп -1). где к(1)=314/Т] * ДГ В интервале пгсле резкого изменния режима изменения у|лов находят по Формулам аб(к)=Д6(к-1) + к(1 )«(4Р1(к-1)+¿Р£(к))/2

Форсировка возбчидения

Еде( 1 )-Еде( 1 )+_0Г (1-ехр(Ч/Те)

Расфорсировка возбуждения

Еде( 1)=Кдсрг 11с 1 )-_0Г (1-ехр(Ч/Те)

Определение Ед(1) ЛЕа'-АШ -1<1)*1йО/Л

Еди п ) = ЕдК п-1 )+ДЕдП)

Определение токораспределения | в ветвях схемы |

Рис.1-

- 13 - ,

ПЭВМ ДВК-3 и IBM. Приведены результаты сопоставительных расчетов для оценки влияния учета изменения взаимных углов генераторов, действия Форсировки возбуждения, учета емкостных проводимостей ЛЭП и др.

Схема тестовой задачи из девяти узлов *) показана на рис.2.

Ка рис. 3 показаны кривые изменения абсолютных и взаимных углов при КЗ в узле 2 для времени до 2 сек. , которые ракти-чески совпадают с приведенными в С *]. lia рис. 4 показаны кривые изменения токов КЗ в узле б, рассчитанных по разработанной программе (кривая 2) и по практическим методам (расчетных кривых - кривая 1 и спрямленных характеристик - кривая 3) без учета изменения углов генераторов, заданных типовыми параметрами. Близкие результаты показывают адекватность разработанной модели и практических методов при одинаковых допущениях и начальных уело;,лях,

Для сравнения на рис. 5 приведены кривые изменения токов КЗ в узле 6 для заданных параметров генераторов с учетом (кривая 1) и без учета (кривая 2) изменения углов генераторов, которые показывают, что для времени до 0.5 сек. погрешности составляют 10-15%, а для времен t > 0.5 с<к. результаты несопоставимы.

Для тестовой схемы электрической системы **) на рис. б показаны изменения угла, тока КЗ и напряжения генератора, полученные по программе (1) и рассчитанные но методу интегральных кривых (?,), отображающее качественное совпадение результатов.

*) Андерсон П. и 4уал А. Управление эн''ргосиотем-1ми и устойчивость . -М: Энергия, 1980.

**) Ульянов С. А. Сборник задач по электромагнитным переходным проц-ссам, • У- Эн>ргскздат, l iW3.

ß T2

ен-ш

Гг.

ДО)' 280200120-iio -

T3 9

<30+0

/ ri:1

/ \

\ /

2 teevc.

fu С..

81 ■

£ 5 -43 i

G. i

a.?.

0.5 P UC.H-

o-!\ c.$ ícele-

J( 0.£)

- 17 -

Заключение

1. Обоснована необходимость учета изменения углов генераторов в расчетах токов КЗ, проводимых для целей релейной защиты и автоматики.

2. Для расчетов периодических слагают« токов КЗ с учетом изменения углов целесообразно' попользовать интервальный метод, позволяющей с достаточной точностью моделировсль процесс КО, его отключения в циклах АНВ и выявление устойчивости с учетом форсирозки ЕСобувдения генераторов.

3. Разработан адаптивный алгоритм расчета токов с учетом взаимных углов и реальных параметров генераторов, позволяющий реализовать различные уровни упрощения модели.

4. Разработана экспериментальная программа дая расчета на ПЭВМ процесса КЗ и других нарушений пежм/д, рекомендуемая дл£ широкого круга задач релейной зашиты и автоматики.

5. Экспериментальные расчеты тестовых схем по разработанной программе показали адекватность предломэньой модели реальным процессам при КЗ и результатам расчетов по другим методам.

По теме диссертации опубликована следующие работы:

1. НасыроЕ Т. X, Шамсиев X. А., Аль- ТаДсб А. Д. Расчет токов короткого замыкания для произвольного момента времени дяч целей релейной задай и автоматики // Узбекский журнал "Проблемы информатики и энергетики",М 1, 1093. С. 25-27.

2, Т. X. Наскров, X А. ЗЬмсиэв, А. А. Аль-Тайеб. Упрощенный метод учета качаний при расчетах то!соз короткого замьм&ния д;:я целей релейной защиты и автоматики //Тезисы докладов научно- теорет. и техн. конференции про<£есео;у)п, преподавателей, аспирантов и научных сотрудников. Ташкентский государственный технический университет. 1С92. - Тип. ТПУ. - С. 54.

- 18 -Аннотация

Аль-ТайеО ЛОду Али Ахмеднинг "Энергосистемаларнинг релели химоя па автоматика восителари учун киска туташувларни хисоб-лаш адгоригиларини шолпб чи^иш"' диссертациясида электромеханик утклкчи г,роцессларни ?исобга олган ^олда кис!^а туташув токла-рини aiiHipiani муаммолари куриб чи^илгаи.

Знвргосжтемалар режимларини тугун тенгламалари ва тур-гунлигини интервал м^тоди тахлили асосида адаптив алгоритм иш-лаб иикилпш.

Abstract

In the dissertation work of Abdu AH Ahmed A1 Tayb "Devoloprrent of adaptive algorithms of short currents's oaloulation for r&le protection and automation of power systems" complex of short currents's definition probleirs under consideration of electromechanical transients are proposed. '

Adaptive alKorltlwa based on complex solution of interval riwthod for stability analysis and buses equations of power systems's reftlrre are developed.

Аннотация

В диссертационной работе Аль-Тайеб Абду Али Ахмеда "Разработка адаптивного алгоритма расчета токов короткого вамыка-ния для долей релейной ващиты и автоматики энергосистем" рассмотрен комплекс проблои определения tokl-в кроткого вамы-кания с учетом электромеханических переходных процессов.

Разработан ал&лтиЕный алгоритм, основанный ка совместном использовании интервального метода анализа устойчивости и уз-лозих уравнений режима энергосистем.