автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей

400000«

На правах рукописи

</лиуг/

РАДИОНОВ Владислав Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОРГАНОВ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание учёной степени кандидата технических наук

2 2 гтч 2011

Краснодар-2011

4853337

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коробейников Борис Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стрижков Игорь Григорьевич

кандидат технических наук Литаш Борис Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственная компания

«Ритм»

Защита диссертации состоится 4 октября 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.100.06 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350058, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. №410

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2А

Автореферат разослан: 2 сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.06, канд. техн. наук, доцент

Копелевич J1.E.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Одной из важнейших отраслей экономики является электроэнергетика, без надежного функционирования которой невозможно обеспечить полноценное социально-экономическое развитие общества. С технической точки зрения электроэнергетика есть совокупность электротехнических комплексов и систем. В свою очередь, релейная защита и противоаварийная автоматика входит в состав таких комплексов как неотъемлемая часть. Рост потребления электроэнергии и генерирующих мощностей, усложнение электротехнических комплексов и систем требуют постоянного совершенствования устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗиПА).

Органы направления мощности входят в состав токовых направленных защит, которые применяются на ЛЭГ1 с двухсторонним питанием, на распределительных устройствах имеющих питание с двух или более сторон, в состав автоматики ввода резерва на подстанциях с синхронными электродвигателями.

В настоящее время в эксплуатации находятся устройства РЗиПА разных поколений, выполненные на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. Использование микропроцессорной элементной базы считается наиболее перспективным направлением развития техники РЗиПА. Однако обобщение опыта эксплуатации этих устройств за последнее время, показывает, что микропроцессорные терминалы РЗиПА в ряде случаев имеют худшие показатели надежности, чем электромеханические устройства.

В связи с этим, актуальной является как задача совершенствования органов направления мощности, выполненных на микропроцессорной элементной базе, так и разработка органов направления мощности на основе новых устройств.

Целью работы является совершенствование органов направления мощности посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить точность, быстродействие и надежность их работы, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.

Задачи исследования:

- обоснование необходимости совершенствования органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей;

- исследование искажений информации от перегруженных трансформаторов тока и их влияния на работу органов направления мощности;

- разработка устройства позволяющего обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков тока;

- разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по фазе устойчивого к искажениям информации;

- разработка органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработка и исследование математической модели органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- проведение экспериментальных исследований опытного образца реле направления мощности.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в

электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.

Научная новизна:

- разработай орган направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочувствительпых органов, основанных на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению.

Практическая ценность:

- предложена структурная схема устройства для определения насыщения магнитопровода трансформатора тока;

- предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

- разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана конструкция и изготовлено реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;

- на научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005,2007 гг.);

- на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2006 г.);

- на международных научных конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009, 2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них одна - в периодическом издании, рекомендованном ВАК России для публикации научных работ. Получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

- математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- новое реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 146 страниц, 65 рисунков, 4 таблицы и 64 источника.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации, реализации результатов исследований и личном вкладе автора.

В первой главе проанализированы существующие принципы построения и алгоритмы работы органов направления мощности на электромеханической, микроэлсктронной и микропроцессорной элементной базе. Показано, что существующие принципы построения и алгоритмы работы органов направления мощности имеют ряд принципиальных недостатков, в связи с чем, возникает необходимость их совершенствования на основе разработки новых алгоритмов и устройств.

Во второй главе выполнено моделирование на ЭВМ работы перегруженных трансформаторов тока при насыщении магнитопровода. По результатам моделирования был произведен анализ искажений от перегруженных трансформаторов тока и их влияния на работу органов направления мощности основанных на известных принципах. Предложен алгоритм микропроцессорного органа направления мощности, устойчивого к искажениям от трансформаторов тока.

Фазы тока и напряжения в произвольный момент времени можно определить по выражениям:

гдег^ - мгновенное значение напряжения, / - мгновенное значение тока, ы - круговая частота.

Приведенные выражения справедливы для случая синусоидальных величин / и и, для несинусоидальных величин будет иметь место некоторая погрешность алгоритма, определяемая величиной погрешности трансформаторов тока (ТТ) и величиной апериодической составляющей.

Для построения алгоритма устойчивого к искажениям информации от ТТ, вычислеиие угла сдвига фаз необходимо выполнять только на неискаженных участках кривой тока.

Работа предлагаемого устройства для определения участков с искаженной кривой тока основана на анализе производных мгновенного значения тока. В момент перехода сигнала тока в зону или из зоны искажений имеет место скачкообразное изменение величины производной входного сигнала тока, что может являться критерием определения искаженных участков.

Предложен алгоритм реле направления мощности устойчивый к искажениям информации от ТТ (рисунок ]). Для определения работоспособности описанного алгоритма и устройства его реализующего, был проведен вычислительный эксперимент на ЭВМ в среде ЯипиИпк® продукта МАТЬАВ®, в котором была использована математическая модель ТТ в условиях насыщения, а также модель описанного устройства.

Проведенные экспериментальные исследования работы алгоритма показали, что погрешности измерения угла сдвига между током и напряжением не превышают 6% и при этом обеспечивается работа алгоритма при искажении информации от ТТ. Быстродействие алгоритма определяется скоростью вычислений микропроцессора. Вычислительная мощность современных микропроцессоров применяемых для реализации подобных алгоритмов позволяет говорить о быстродействии, измеряемом единицами миллисекунд.

Рисунок 1 - Алгоритм микропроцессорного органа направления мощности устойчивого к искажениям информации от трансформаторов тока

В третьей главе предложен орган направления мощности (OHM) на основе однофазных трансформаторов с вращающимся полем (ОТВП). Разработана математическая модель (система дифференциальных и алгебраических уравнений в матричной форме) для схемы замещения органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочувствительных органов на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Произведена идентификация параметров однофазных трансформаторов тока и напряжения с вращающимся магнитным полем. Произведен анализ влияния точности изготовления обмоток однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем на характеристики фазочувствительного органа.

Предлагаемый OHM, является измерительным органом (ИО) с двумя подведенными электрическими величинами, работа которого основана на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению. Повышение быстродействия и точности работы достигается применением многофазного выпрямления вместо однофазного. Получение многофазной системы напряжений из однофазного напряжения и тока в устройстве возможно с применением трансформаторов специальной конструкции -однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. ОТВП представляет собой многофазный трансформатор, имеющий магнитопровод конструктивно подобный магнитопроводу статора электрической машины, первичные обмотки, служащие для получения вращающегося магнитного поля и многофазные вторичные обмотки для формирования многофазной системы напряжений. Конструкция ОТВП позволяет очень удобно, естественным образом формировать информационные признаки сигналов - величины Щ,Е2\

£, = ktU + k2J I E^kjU + kJ)

где к, = к/ь ,кг = k2eh = ¿У' Д4 = ^е"' - постоянные комплексные коэффициенты, формируемые пространственным расположением и электрическим соединением групп вторичных многофазных обмоток.

Функциональная схема предлагаемого OHM представлена на рисунке 2. К входу OHM подводятся напряжение и ток от трансформаторов напряжения и трансформаторов тока защищаемого присоединения. Подводимые к OHM величины можно записать в следующем виде и - Umsin{wt), i - Imsin(cot + у/),

V1 , , DA K

Hi

тт

и-!! Sin(ioi)

-э-

ОТВП (и) kJ/JiMarn^i gj -)-

k,l ¡„SmU'X + щ + S.) --»-;-

тн

.. / = / Si>l(G>l + 1//)

О->-

ОТВП (i)

k2lKSin{(ol + ч> +■ 'р, +

kt lmSi)i(rol + (с + р4 + )

■• / ....

/-

1

ы.

V2

о-

Рисунок 2 - Функциональная схема предлагаемого органа направления мощности

В устройстве имеются два ОТВП, для преобразования тока -ОТВП (¡), и для преобразования напряжения - ОТВП (и). Каждый ОТВП осуществляет преобразование подведенной величины, как по амплитуде, так и по фазе. На входе выпрямителей VI, VI формируются многофазные системы напряжений соответствии с соотношениями:

en = ktUmsin{iot + <pn) + k2Imsin(wt + у/ + <рг1) en=kx Umsin{cot + <pn) + k21msin(<ot + у/ + <pn)

eu, = kJJmsin(cot + <pUl) + k2 I„,sin{(ot +1// + (pln)

ег\ ~ k3Umsin((Ot + %,) + kjmsin{mt +1// + %,) e22 = k3Umsin(6)t + (pn ) + kAIinsin{(ot + y/ + (pn)

em = bJJmsin{wt + <p„,) + kjmsin(a)t+ц/ + %„)

<Pu =<Pi Фп =(P\ + ^2

<pn =(рг +s2 <Pl»=<Pl+Sn

(pn=<p} +s2

1

1 ,

Многофазные системы напряжений ehhe2„ выпрямляются многофазными выпрямителями VI, V2 и затем сравниваются по амплитуде органом сравнения, представляющим собой нуль-индикатор, на выходе которого формируется сигнал о срабатывании. Нуль-индикатор воздействует на выходное реле К.

В общем случае использование предлагаемого OHM на основе О'ГВП позволит получить следующие преимущества перед известными принципами построения ИО и комплексов РЗ:

• возможность формирования ОТВГ1 информационных признаков сигналов;

• уменьшение пульсаций на сравнивающем элементе за счет многофазного выпрямления;

• отсутствие сложных фильтров и сглаживающих устройств;

• увеличение точности работы;

• повышение быстродействия;

• возможность использования ОТВП вместо разделительных трансформаторов МПРЗ;

• отказ от сложных алгоритмов МПРЗ слабоустойчивым к искажениям информации;

• возможность реализации па одних ОТВП, кроме OHM пусковых

органов тока, напряжения и др.;

• высокая надежность;

• невысокая стоимость.

Пример практического выполнения принципиальной схемы OHM показан на рисунке 3. На схеме, ОТВП напряжения и токовый ОТВП имеют две одинаковые шестифазные вторичные обмотки 1,3 и 2,4

соответственно. Сформированные на последовательно соединенных шестифазных обмотках 1,2,3,4 напряжения, выпрямляются выпрямителями VI, V2. /7риняты следующие сдвиги фаз между обмотками: Sr- 0°, §2~30°, 3}-120°, 150°, д5=--240°, <5й=270° что обеспечивает 12-ти пульсное выпрямление. Конденсатор С выполняет сглаживание незначительных пульсаций выпрямленного напряжения.

Для разработки OHM на основе ОТВП была разработана методика определения параметров первичных обмоток ОТВП. По разработанной методике проводилось определение параметров для симметричной четырехобмоточной схемы ОТВП, схема первичных цепей которого приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема первичных цепей однофазного трансформатора с вращающимся

магнитным полем

Соотношения между элементами схемы определяются как:

R3 U R5

L,=L4 = L; L2 = L3 =0,25L; Ml2 - Mu = 0,5 L; Ls = pL; /?, = /?, = R; R2 = R3 = 0,5R;

где I. - базовая индуктивность, К - базовое сопротивление.

Зависимость индуктивности обмоток ОТВП и дросселя от активного сопротивления их обмоток можно представить выражениями

Задачей идентификации параметров первичных обмоток ОТВП является определение величин р и <7 для определения величины индуктивности дросселя ¿} и сопротивления Для определения величин р и <7, с учетом условий необходимых для получения вращающегося магнитного поля получена система нелинейных уравнений:

^(2,25о)Ь +р^У +(1М,& + кгУ[р1}1 -

-у1(2,25ую1.у +{с1к^1+15к,Щ2 =0; • (2)

(2,25}соЬ + р](о1. + 1,5к,-Л,+к2л[р1) _ г""Ц^) (2,25]соЬ+дк^ + 1,5к,/Ь)

Для решения полученной нелинейной системы уравнений была применена оптимизационная функция «ГзоК'е» встроенная в среду МАТЬАВ. Решение системы (2) производилось для расчета балансных элементов ОТВП тока и напряжения экспериментального образца реле направления мощности. При этом были получены следующие значения искомых коэффициентов:

• для ОТВП тока р= /, 6675, ц - 1,3993;

• для ОТВП напряженияр^ 0,7334, <7= 19,18.

Математическую модель органа направления мощности на основе ОТВП можно записать в виде следующей системы уравнений:

U = R-i + L-

di_ dt

(3)

F = / R ■ F - 7 R •

U mt = max(i/fe(E|))-max(afo(£2));

'+ U шл. = (/,m; 1/яж >0.

где U - вектор входных напряжений, /- вектор токов, Е, ,Ег~ векторы сравниваемых величин, 1ШХ,, 1ВЫХ2 - векторы токов вторичных обмоток ОТВП,Rm,R„2~ векторы сопротивлений нагрузки вторичных обмоток ОТВП, Uini - напряжение, подаваемое на нуль-индикатор, R -сопротивление сглаживающей цепи, С - емкость сглаживающей цепи, 11ш,/.у - напряжение подаваемое на нуль-индикатор с учетом сглаживающей

А Л

RC цени, R- матрица активных сопротивлений, L- матрица собственных и взаимных индуктивностей.

Для построения математической модели OHM в матричной форме при несииусоидальных входных величинах, возможно применение теории преобразования Фурье и принципа наложения. В этом случае матричное уравнение описывающее работу OHM при несинусоидальных сигналах будет иметь вид:

= Ri +/.

; di_ dt

(4)

где /' - номер гармонической составляющей, п - количество рассматриваемых гармоник сигнала.

На основе предложенной математической модели предлагаемого органа предложен алгоритм его работы, представленный на рисунке 5.

\7

fiÜ=Rl + l-

l'i ~ 1 um in

1

//„„ = max(eA.v(/!,))--max(a hs{li2))

/!(:/Л1ш. + ц =„

. n l'aftna

< 'Vi г<>

Her

Рисуиок 5 - Алгоритм работы органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем

В четвертой главе выполнено математическое моделирование существующих принципов работы и алгоритмов органов направления мощности. Предложена конструкция опытного образца реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Математическая модель органа направления мощности на основе ОТВП реализована в среде MATLAB на основе блока StateSpace, который представляет собой динамический объект, описываемый уравнениями пространства состояний:

х = Ах + Ви}

К (5)

у - Сх + Du)

где и - входной вектор размера 12х], описывающий 12 независимых источников, десять из которых нулевые для рассматриваемой задачи, у - вектор, описывающий 12 выходных величин и имеющий размерность 12x1, х - вектор размера 12><1, описывающий независимые переменные.

Матрицы А, В - постоянные действительные матрицы соответствующего размера, вычисляемые по выражениям:

Л л

<6)

в=г'.

Матрица С - диагонально-единичная размера 12x12, a D - нулевая той же размерности.

Решение составленного матричного уравнения (5), выполнялось в среде MATLAB® с использованием блока пространства состояний «StateSpace model». На основе полученного блока пространства состояний, реализующего математическую модель предлагаемого органа направления мощности, была исследована его работа в составе электротехнического комплекса, содержащего линию электропередач с двухсторонним питанием и трансформатор тока. На рисунке 6 приведена диаграмма работы исследуемого органа при коротком замыкании на линии с двухсторонним питанием, причем работа органа происходит на границе зоны срабатывания. На диаграмме приведены графики тока и напряжения, подаваемых на орган, графики сравниваемых величин Е(, Е2 в виде шестифазной системы напряжений, график выпрямленного напряжения после сглаживающего фильтра и состояние контактов выходного реле.

Рисунок 6 - Диаграмма работы органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в режиме перегруженных трансформаторов тока

Для подтверждения теоретических положений были проведены натурные испытания опытного образца предложенного реле направления мощности. Испытания проводились в лаборатории релейной защиты и автоматики ОАО «Кубаньэнерго» с использованием испытательного комплекса на основе прибора РЕТОМ-41, который позволяет производить проверку характеристик устройств релейной защиты. Оценка полученных результатов испытаний работы реле направления мощности на основе ОТВП (РМОТВП) выполнялась путем сравнения с результатами испытаний в аналогичных условиях серийного микроэлектронного реле направления мощности типа РМ12. На рисунке 7 представлена полученная по результатам испытаний зависимость погрешности угла максимальной чувствительности реле от полной погрешности ТТ.

20 S.%

15

10 5 0

0 10 20 30 40 50 %60 Рисунок 7 - Зависимость погрешности угла максимальной чувствительности реле от полной погрешности ТТ

На рисунке 8 приведена зависимость времени срабатывания реле от полной погрешности ТТ. Проведенные испытания показали, что при полной погрешности ТТ fi=50%, погрешность угла максимальной чувствительности нового реле - около 7%, быстродействие 25 мс, для сравнения у роле РМ12 эти же параметры составляют 17% и 56 мс соответственно.

70

Чо

50 40 30 20 10 О

Рисунок 8 - Зависимость времени срабатывания реле от полной погрешности ТТ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:

- Существующие конструкции, схемы и алгоритмы органов направления мощности на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков. Необходимо совершенствование органов направления мощности, используя новые принципы и алгоритмы, в частности алгоритмы устойчивые к искажениям информации от трансформаторов тока, устройства с вращающимися магнитными полями, которые позволяют повысить надежность, точность работы, быстродействие защиты вместе со снижением ее стоимости.

- Предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока.

- Максимальная величина абсолютной погрешности разработанного алгоритма органа направления мощности, при полной погрешности трансформаторов тока, достигающей 60%, не превышает 6°

для сигнала с апериодической составляющей, и 2" для синусоидального сигнала. В сравнении с существующими схемами и алгоритмами, улучшены показатели точности работы.

- Разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

- Разработана методика анализ и синтеза характеристик органов направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

- Разработана математическая модель нового органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в виде матричных уравнений пространства состояний.

- Разработана конструкция нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

- Произведены численные и натурные эксперименты, результаты которых подтверждают теоретические основы создания реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и показывают улучшение технических характеристик реле по сравнению с существующими.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научная статья, опубликованная в издании по списку ВАК

1. Родионов В.М. Фазочувствительный орган релейной защиты на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2010. № 4. С. 28-31.

Публикации в других изданиях

2. Радионов В.М. Алгоритм сравнения двух электрических величин по фазе для противоаварийной автоматики выполненной на микропроцессорной элементной базе / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции. Куб. гос. технол. ун-т. / Краснодар: изд. ГОУ ВПО "КубГТУ", 2005. С. 131-133.

3. Радионов В.М. Алгоритм сравнения двух электрических величин по фазе при искажениях информации от трансформаторов тока для релейной защиты / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов II Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции. Куб. гос. технол. ун-т. / Краснодар: изд. ГОУ ВПО "КубГТУ", 2006. С. 38-41.

4. Радионов В.М. Устройство для определения искаженных участков кривой тока во вторичной обмотке трансформатора тока при насыщении сердечника / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции. Куб. гос. технол. ун-т. / Краснодар: изд. ГОУ ВПО "КубГТУ", 2007. С. 199201.

5. Радионов В.М. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем без учета активных сопротивлений обмоток / Б.А. Коробейников, А.И. Ищенко, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2008. С. 8-11.

6. Радионов В.М. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем и учетом активных сопротивлений обмоток / Б.А. Коробейников, А.И. Ищенко, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2008. С. 12-14.

7. Радионов В.М. Анализ работы фазочувствительного органа на выпрямленных токах / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей /

Под общ. ред. проф. Б.Л. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2009. С. 1.11 -! 36.

8. Радионов В.М. Анализ работы фазочувствительного органа на выпрямленных токах при перегруженных трансформаторах тока / В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2009. С. 137-140.

9. Радионов В.М. Анализ работы реле направления мощности типа РМ 11 / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Электроэнергетические комплексы и системы: Сборник научных статей / Под общ. ред. проф. Б.А. Коробейникова. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар: изд. КубГТУ, 2009. С. 141-143.

10. Радионов В.М. Фазочувствительный орган для релейной защиты на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем / В.М. Радионов // Технические и технологические системы: Материалы международной научной конференции. Краснодар: КВВАУЛ. 2009. С. 91-94.

11. Радионов В.М. Анализ влияния точности изготовления обмоток трансформаторов с вращающимся магнитным полем на характеристики фазочувствительного органа релейной защиты / Б.А. Коробейников, В.М. Радионов // Технические и технологические системы: Материалы второй международной научной конференции ТТС-10. Сборник материалов / Под общ. ред. акад. АЭН РФ проф. Б.Х. Гайтова. Краснодар: КВВАУЛ, 2010. С. 175-179.

12. Решение о выдаче пат. на изобретение РФ по заявке №2009120253/07 от 27.05.2009 г., МПК Н01Р29/14, Н02Н 3/38 (2006.01). Реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем / Коробейников Б.А., Коробейников А.Б., Радионов В.М.; заявитель ООО «Электроинтел».

Подписано в печать 24.08.2011. Печать трафаретная. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 523. ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120

тел. 8-918-41-50-571 e-mail: olfomcnko@yandex.ru Сайт: http://id-yug.naroil2.ni

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 НЕОБХОДИМОСТЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОРГАНОВ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

1.1 Токовые направленные защиты электрических сетей.

1.2 Электромеханические реле направления мощности.

1.3 Микроэлектронные органы направления мощности.

1.4 Органы направления-мощности микропроцессорных защит.

1.5 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЬГОРГАНОВ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, УСТОЙЧИВЫХ К ИСКАЖЕНИЯМ ИНФОРМАЦИИ ОТ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА.

2.1 Разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по фазе для микропроцессорной релейной защиты.

2.2 Искажения информации от перегруженных трансформаторов тока и их влияние на работу органов направления мощности.

2.3 Разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по фазе устойчивого к искажениям^информации.

2.4 Экспериментальное исследование работы алгоритма микропроцессорного органа направления мощности, устойчивого к искажениям информации от трансформаторов тока.

2.5 Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОРГАНА НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.

3.1 Фазочувствительный орган релейной защиты на основе трансформаторов с вращающимся*магнитным полем.

3.2 Математическая модель фазочувствительного органа на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в матричной форме.

3.3 Математическая модель органа направления,мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем

3.4 Идентификация параметров однофазных трансформаторов тока и напряжения с вращающимся магнитным полем.

3.5 Анализ влияния точности изготовленияобмоток однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем на характеристики фазочувствительного органа.

3.6 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ1.

4.1 Математическое моделирование существующих принципов работы и алгоритмов работы органов направления мощности.

4.2 Разработка конструкции опытного образца реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

4.3 Реализация и.экспериментальное исследование математической модели органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в среде МАТЪАВ®.

4.4 Исследование работы органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе релейной защиты ЛЭП с двухсторонним питанием.

4.5 Испытания опытного образца реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в лаборатории релейной защиты и автоматики ОАО «КубаньЭнерго»

4.6 Выводы.

Одной из важнейших отраслей экономики является электроэнергетика, без надежного функционирования которой невозможно обеспечить полноценное социально-экономическое развитие общества. С технической точки зрения электроэнергетика есть совокупность электротехнических комплексов, и систем. В1 свою очередь, релейная защита входит в состав таких комплексов как неотъемлемая часть. Рост потребления электроэнергии, и генерирующих мощностей, усложнение электротехнических комплексов и систем требуют постоянного совершенствования устройств релейной защиты,и автоматики.

Органы направления? мощности входят в состав токовых направленных защит, которые применяются на ЛЭП' с двухсторонним питанием, на распределительных устройствах имеющих питание с двух или более сторон; в состав автоматики ввода5 резерва* на подстанциях с синхронными электродвигателями.

В настоящее время в эксплуатации находятся устройства РЗиА разных поколений, выполненные на» электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе: Наибольшее распространение В/электроэнергетических системах России имеют морально1 и > физически устаревшие электромеханические реле. Микроэлектронные устройства по ряду причин широкого распространения не получили, доля микропроцессорных устройств постоянно увеличивается. Использование микропроцессорной элементной базы считается наиболее перспективным направлением развития техники РЗиА. Однако обобщение опыта эксплуатации этих устройств за последнее время, показывает, что микропроцессорные терминалы РЗиА в ряде случаев - имеют худшие показатели надежности, чем электромеханические устройства.

В связи с этим, актуальной является как задача совершенствования органов направления мощности, выполненных на микропроцессорной элементной базе, так и разработка органов направления мощности на основе новых устройств.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры электроснабжения промышленных предприятий Кубанского государственного технологического университета по теме «Совершенствование электротехнических комплексов и электроэнергетических систем».

Целью работы является совершенствование органов направления мощности посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить точность, быстродействие и надежность их работы, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- обоснование необходимости совершенствования органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей;

- исследование искажения информации от перегруженных трансформаторов тока< и их влияния на работу реле направления мощности;

- разработка устройства позволяющего обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков тока;

- разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по-фазе устойчивого к искажениям информации;

- разработка органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем

- разработка и исследование математической модели органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- проведение экспериментальных исследований опытного образца реле направления мощности.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались-методы математического и физического моделирования, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан орган направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана математическая модель органа направления мощности, на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем:

- разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочув-ствительных органов, основанных на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению;

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм работы органа направления мощности-устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

- математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- новое реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- предложена структурная схема устройства для определения насыщения магнитопровода трансформатора тока;

- предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

- разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана конструкция и изготовлено реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;

- на научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005, 2007 гг.);

- на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2006 г.);

- на международных научных конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009; 2010 гг.).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в виде статей и тезисов докладов в следующих изданиях:

- «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2005, 2007 гг.);

- «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы международной научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2006 г.);

- «Электроэнергетические комплексы и системы», сборник научных статей (Краснодар, КубГТУ, 2008, 2009 гг.);

- «Технические и технологические системы», материалы международной научной конференции (Краснодар, 2009 г.);

- «Технические и технологические системы», материалы второй международной научной конференции ТТС-10 (Краснодар, 2010 г.)

- «Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион. Технические науки» (Ростов-на-Дону, 2010 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 146 страниц, 65 рисунков, 4 таблицы и 64 источника.

4.6 Выводы

1. Разработана аксиальная конструкция магнитопровода однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. Разработана конструкция реле направления мощности' на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его опытный образец.

3. Получена математическая модель экспериментального образца органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

4. Результаты испытаний органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, проведенные с использованием их математических: моделей, подтвердили- основные теоретические положения работы;

5. Проведенные испытания экспериментального образца нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным; полем показали, что разработанное реле имеет улучшенные показатели точности работы и быстродействия по сравнению; с существующими реле на микроэлектронной элементной базе.

6. При искажениях информации от перегруженных трансформаторов тока погрешность срабатывания разработанного реле направления- мощности значительно меньше, чем у существующих алгоритмов работы органов направления мощности.

138

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:

1. Существующие конструкции, схемы и алгоритмы органов направления мощности на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной'элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков. Необходимо > совершенствование органов» направления* мощности; используя новые: принципы и алгоритмы, в частности алгоритмы устойчивые к искажениям информации от трансформаторов тока, устройства с вращающимися; магнитными? полями;- которые позволяют повысить, надежность, точность работы; быстродействие защиты вместе со снижением ее стоимости:

2. Предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока.

3. Максимальная величина абсолютной погрешности разработанного алгоритма, органа направления- мощности,, пршполной! погрешности трансформаторов тока, достигающей 60%, не превышает 6° для сигнала с апериодической составляющей, и 2° для синусоидального сигнала. В сравнении: с существующими1 схемами и алгоритмами, улучшены показатели точности работы.

4. Разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

5: Разработана методика синтеза характеристик органов направления мощности на основе однофазных трансформаторов; с вращающимся магнитным полем.

6: Разработана математическая модель нового органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в виде матричных уравнений пространства состояний.

7. Разработана конструкция нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

8. Произведены численные и натурные эксперименты, результаты которых подтверждают теоретические основы создания органов направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и показывают улучшение технических характеристик органов по сравнению с существующими.

1. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В. Решение задач вычислительной математики в пакетах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9. М.: НТ Пресс, 2006. 496 с.

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 2006. 639 с.

3. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова E.H. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 1104 с.

4. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М. Трансформаторы тока. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 416 с.

5. Басс Э.И., Дорогунцев'В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Издательство МЭИ, 2002. 296 с.

6. Беляев А. Цифровые терминалы РЗА. Опыт адаптации к российским условиям / А. Беляев, В. Широков, А. Емельянцев // Новости электротехники: информационно-справочное издание. 2007. № 1. С. 38-40.

7. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Л.: Энергия, 1978. 839 с.

8. ГОСТ 21427.1-83. Сталь, электротехническая холоднокатаная, анизотропная тонколистовая. Технические условия. Введ. 1984-01-01. М.: Издательство стандартов, 1992.

9. ГОСТ 22050-76. Магнитопроводы ленточные. Типы и основные размеры. Введ. 1977-07-01. М.: Издательство стандартов, 1992.

10. ГОСТ 7262-78. Провода медные, изолированные лаком ВЛ-931. Технические условия. Введ. 1980-01-01. М.: Издательство стандартов, 1991.

11. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия. Введ. 2003-01-01. М.: Стандартинформ, 2007.

12. Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

13. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 509 с.

14. Гончаров A.K. Алгоритмизация микропроцессорной обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики в электрических сетях : дисс. канд. техн. наук : 05.13.06. Краснодар, 2007. 127 с. Библиогр.: с. 109-117 РГЪ ОД, 61:07-5/4516.

15. Гуревич В.И. Микропроцессорные реле защиты: альтернативный, взгляд // Электро-Infb; 2006. № 4.

16. Гуревич В.И. Как нам обустроить релейную защиту: мнения российских специалистов и взгляд со стороны // Вести в,электроэнергетике. 2007. №2.

17. Гуревич В:И. Надежность микропроцессорных устройств релейнойIзащиты: мифы и реальность // Проблемы энергетики. 2008. № 5-6.

18. Дроздов А.Д., Засыпкин А.С:, Кужеков C.JI. Электрические цепи с ферромагнитными элементами в релейной защите. М.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.

19. Дьяконов В.П., Круглов В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. 480 с.

20. Заявка 2009120253 Российская Федерация: Реле направления мощности на1 основе трансформаторов с вращающимся магнитным, полем. / Коробейников »Б. А., Коробейников А.Б., Радионов В.М.; заявл. 27.05.2009; опубл. 10.12.2010. Бюл.№ 7; 1 с.

21. Иванов-Смоленский А.В: Электрические машины: учебник для ВУЗов. В'двух томах. Том 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 652 с.

22. Испытательная система для релейной защиты "Реле-томограф". Техническое описание и инструкция пользователя. Чебоксары: Научно-производственное предприятие "Динамика", 1998. 69 с.

23. Казанский В.Е. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. М.: Энергия, 1969. 184 с.

24. Калахан Д. Методы машинного расчёта электронных схем. М.: Мир, 1970. 127 с.

25. Коновалова Е. В. Основные результаты эксплуатации устройств РЗА энергосистем Российской Федерации / Е. В. Коновалова // Сборник докладов XV науч.-техн. конф. «Релейная защита и автоматика энергосистем», М.: 2002. С. 19-23.

26. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: учебник для ВУЗов. М.: Энергоатомиздат, 1993. 164 с.

27. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. Новосибирск: НГТУ, 2003: 283 с.

28. Либерзон Э.М;, Королев Е.П. Уменьшение вибрации контактной системы реле направления мощности // Электрические станции. 1967. № 12. С. 51-54.

29. Лйнт Г.Эг Серийные: реле: защиты,, выполненные нас интегральных микросхемах; М.: Энергоатомиздат, 1990: 112 с.

30. Павлов» В.Н., Ногин; В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. М.: Горячая линия Телеком, 2001. 320 с.

31. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов. М;: Высшая школа, 1987. 479 с.

32. Пат. 2333562 Российская? Федерация; Однофазный трансформатор вращающегося поля. / Коробейников Б;А;, Сидоров Д:И.; заявл. 4.06.2007; опубл. 10.09.2008.

33. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный* анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. Пер. с англ. М.: Энергия, 1980. 640 с.

34. Радионов В.М. Фазочувствительный орган для релейной защиты на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем /

35. B.М. Радионов // Технические и технологические системы: Материалы международной научной конференции. Краснодар: КВВАУЛ, 2009. С. 91-94.

36. Радионов В.М. Фазочувствительный орган, релейной защиты на основе* трансформаторов с вращающимся1 магнитным полем/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2010. № 4. С. 28-31.

37. Свешников А.Г., Тихонов А.Н. Теория функций комплексной переменной. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 336 с.

38. Сидоров Д.И. Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем: дисс. . канд. техн. наук : 05.09.03. Краснодар, 2010. 134 с.

39. Синельников. В.Я., Клименко И.Т. Работа реле направления мощности при- искаженной форме тока // Энергетика и электротехническая промышленность. 1965. № 3.

40. Сушко В. Релейная защита присоединений*6-35 кВ. Есть ли выход из тупика? / В. Сушко // Новости электротехники: информационно-справочное издание. 2006. № 4. С. 56-59.

41. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Mí: Энергия, 1970. 520 с.

42. Фабрикант B1JI. Основы теории построения измерительных органов-релейной-защиты и автоматики (органы с двумя электрическими величинами). М;: Высшая школа, 1968. 267 с.

43. Чернобровое Н.В. Релейная защита. М. Энергия, 1971. 624 с.

44. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimGowerSystems n Simulink. М.: ДМК Пресс, 2008. 288 с.

45. Шабад Mí А., Шевелев B.C. Опыт использования цифровых реле серии SPAC-800 в сетях электроснабжения России // Энергетик. 1998. № 12.

46. Шнеерсон Э.М: Полупроводниковые реле сопротивления. М.: Энергия, 1975: 143 с.

47. Шнеерсон Э.М: Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1981. 208 с.

48. Шнеерсон- Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.

49. Anderson P.M. Power Sistem* Protection. New York: ШЕЕ Press, 1999. 1307 p.

50. Gurevich V. A Problem of Power Supply of Microprocessor-based Protective Relays in Emergency Mode // Electricity Today Transmission & Distribution Magazine. 2006. № 8. P. 32-35.36 ^

51. Horowitz S.H., Phadke A.GT^ower System Relaying. Chichester: John Wiley & Sons, Inc, 2009. 331 p.

52. LM111, LM311Y Differential comparators with strobes. Texas Instruments Incorporated, 1992. 16 p.

53. More J.J. The Levenberg-Marquardt algorithm: imclementation and theory. In G. Watson (Ed.),Numerical analysis. Berlin: Scringer, 1978.

54. Sleva A.F. Protective Relay Principles. Boca Raton: CRC Press, 2009. 332 p.