автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование управления и защиты воздушных линий электропередачи с устройством продольной компенсации

005537023

На правах рукописи

4

КОЛОБРОДОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УСТРОЙСТВОМ ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ

Специальность 05,14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Москва-2013 г.

005537023

Работа выполнена на кафедре «Релейная защита и автоматизации энергосистем» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Булычев Александр Витальевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент,

начальник службы Служба внедрения противоаварийной и режимной автоматики СО ЕЭС Сацук Евгений Иванович

кандидат технических наук, с.н.с., заведующий лабораторией информационно-измерительных и управляющих систем в электроэнергетике ОАО «ЭНИН»

Лачугин Владимир Федорович

Ведущая организация: ОАО «Научно-технический центр

Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

Защита диссертации состоится «6»декабря 2013 года в 13 час. 30 мин. в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ ВПО «Национальном исследовательском университете «МЭИ», по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « i » UXldj/ü 2013 г.

Председатель

диссертационного совета Д 212.157.03 д.т.н, проф.

В.В. Жуков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Стремление повысить пропускную способность линий электропередачи (ЛЭП) вызывает необходимость изменять их электрические параметры в процессе работы. Для этих целей в сетях высокого и сверхвысокого напряжения, в основном за рубежом, применяют управляемые устройства продольной компенсации (УУПК), позволяющие изменять электрические параметры ЛЭП в зависимости от режимов, В Российской Федерации это направление работы также приобретает все больший масштаб.

В связи с этим существенно изменяются условия работы релейной защиты и автоматики (РЗА), при которых устройства РЗА должны обеспечить управление и защиту элементов энергосистемы во всех режимах работы сети. При этом традиционные способы управления и защиты, основанные на моделях элементов электроэнергетических систем с постоянными электрическими параметрами во многих случаях неприменимы.

Все это приводит к необходимости пересмотра требований к устройствам РЗА в части новых способов управления и защиты УУПК и ЛЭП с УУПК.

В этих условиях совершенствование способов управления и защиты ЛЭП с продольной компенсацией играет важную роль в повышении эффективности использования УУПК и самих электроэнергетических систем и представляет собой значимую и актуальную научно-техническую задачу, решение которой и составляет содержание диссертационной работы.

Цель работы

Совершенствование управления и защиты воздушных линий электропередачи с устройством продольной компенсации на основе разработки и исследования предложенного автором комплекса научно обоснованных способов.

Основные задачи исследования

■ Обоснование направления совершенствования способов управления и защиты линии электропередачи с продольной компенсацией.

■ Разработка и исследование способов оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам.

* Разработка и исследование способа и алгоритма управления УУПК.

■ Разработка и исследование способа построения релейной защиты, устанавливаемой на ЛЭП с УУПК.

Объектом исследования являются линии электропередачи с УУПК и их устройства управления и защиты.

Предметом исследования являются свойства линий электропередачи с УУПК, регуляторов УУПК и защит, устанавливаемых на указанных линиях.

Методы научных исследований базируются на фундаментальных положениях теории электромагнитных и электромеханических переходных процессов, теории автоматического регулирования, теории релейной защиты, а также на расчетных методах исследования, математическом и программном моделировании.

Научная новизна работы

1. Предложен и исследован способ оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам, позволяющий проводить расчет прогнозируемого значения активной мощности компенсированной линии в месте установки устройства. Способ основан на проведении расчетов по данным об активной мощности, передаваемой по компенсированной линии, и об угле 5 между векторами напряжений по концам указанной линии.

2. Предложен и исследован новый способ и алгоритм управления продольной компенсацией по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности, позволяющие повысить демпфирующую способность УУПК. При этом показано, что управление может осуществляться с помощью упреждающих управляющих воздействий, формируемых в начале каждого полупериоде колебаний.

3. Разработана и исследована усовершенствованная структурная схема регулятора продольной компенсации, обеспечивающая объединение пропорционально-интегрального и дифференциального алгоритмов, и алгоритма по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности. Доказано, что применение вновь разработанного алгоритма в регуляторе с усовершенствованной структурной схемой позволило повысить эффективность применения УУПК как одного из элементов, обеспечивающего гашение колебаний в переходных режимах.

4. Предложен и исследован новый способ построения релейной защиты, устанавливаемой на электропередаче с продольной компенсацией, обеспечивающий повышение быстродействия и селективности защиты, реализуемой на дистанционном принципе. Для реализации способа условно выделяются однородные участки электропередачи с распределенными и сосредоточенными параметрами, на каждом из которых действуют отдельные защиты с соответствующими согласованными характеристиками срабатывания.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются за счет корректного применения теории электромеханических переходных

процессов, теории автоматического регулирования и теории релейной защиты и подтверждаются совпадением результатов исследований автора, проведенных на базе общепризнанного и верифицированного программного комплекса РЗСАБ, и данных, приведенных в зарубежных и отечественных публикациях.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1). Повышена эффективность применения продольной компенсации ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения в переходных режимах за счет более совершенного управления УУПК. Это выражается в увеличении демпфирующей способности УУПК, а также в повышении селективности и быстродействия устройств релейной защиты и автоматики компенсированной линии.

2). Разработанный автором способ построения релейной защиты, устанавливаемой на электропередаче с продольной компенсацией использован ОАО «ВНИИР» при создании типовых шкафов РЗА, предназначенных для ЛЭП с УУПК, Применение предложенного способа построения защиты ЛЭП с УУПК позволяет расширить зону действия дистанционной защиты (ДЗ), при повреждении в которой она может действовать без выдержки времени срабатывания. При этом снижается вероятность неселективного срабатывания защит, установленных на смежных элементах электрической сети.

3). Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе в «НИУ «МЭИ» при реализации электронного учебно-методического комплекса дисциплины «Расчеты релейной защиты электроэнергетических систем» кафедры «РЗ и АЭс» по специальности «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем».

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам, позволяющий проводить расчет прогнозируемого значения активной мощности компенсированной линии в месте установки УУПК.

2. Новый способ и алгоритм управления продольной компенсацией по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности, позволяющие повысить демпфирующую способность УУПК.

3. Усовершенствованная структурная схема регулятора продольной компенсации, обеспечивающая объединение пропорционально-интегрального и дифференциального алгоритмов, и алгоритма по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности.

4. Новый способ построения релейной защиты, устанавливаемой на электропередаче с продольной компенсацией, обеспечивающий повышение быстродействия и селективности устройств защиты, реализуемых на дистанционном принципе.

Апробация диссертационной работы

Результаты исследований обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: третья международная научно-техническая конференции «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» в 2011 году; научно-практическая конференция «Интеллектуальная электроэнергетическая система России - предпосылки и перспективы» в 2011 году, I и II международные научно-практические конференции и выставки «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» в 2012 и 2013 годах, а также на научных семинарах кафедры «Релейная защита и автоматизация энергосистем» «НИУ «МЭИ».

Публикации

Основные материалы диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе в 4 статьях в журналах по списку ВАК.

Личный вклад соискателя.

Участие в формулировании задачи исследования и обосновании направления совершенствования способов управления и защиты линии электропередачи с продольной компенсацией [1, 3, 7, 10]. Разработка и исследование способов оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК [4-5, 7-9], способа и алгоритма управления УУПК [2, 6, 8-9], а также способа построения релейной защиты, устанавливаемой на ЛЭП с УУПК [2], [10].

Автор выражает благодарность работникам кафедры «РЗ и АЭс» «НИУ «МЭИ» за содействие при написании диссертационной работы и лично д.т.н. Максимову Б.К. и к.т.н, Арцишевскому Я.Л.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит: введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. В диссертации основной материал изложен на 141 странице текста с рисунками; общий объем работы 237 страниц. Список литературы содержит 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования и раскрыта структура диссертации. Отмечен вклад известных ученых и специалистов научных, учебных и проектных организаций в исследования вопросов, связанных с продольной компенсацией.

В первой главе «Обоснование направления совершенствования способов управления и зашиты линии электропередачи с продольной компенсацией» приведены результаты оценки существующих устройств

управления и защиты ЛЭП с УУПК и самих УУПК, а также показано направление их совершенствования.

Рассмотрен отечественный и зарубежный опыт, способы применения УУПК и систематизированы варианты их установки на ЛЭП. Показано, что за рубежом УУПК нашли применение в качестве устройств, обеспечивающих регулирование пропускной способности линии и дополнительное гашение синхронных колебаний на линиях высокого и сверхвысокого напряжения.

Проведен анализ емкостного и индуктивного режимов работы УУПК при частичном открытии тиристоров, а так же режимов блокировки и полного открытия тиристоров с позиции требований к построению устройств управления продольной компенсацией и релейной защиты элементов энергосистемы с УУПК.

Рассмотрены известные способы управления степенью компенсации УУПК. Традиционно к средствам управления УУПК относятся регуляторы на базе пропорционально-интегрального и дифференциального алгоритмов, которые контролируют активную мощность или ток в месте установки устройства. Существует, кроме того, алгоритм управления, основанный на выделении колебательной составляющей и последующем задании уровня изменения степени компенсации по выделенному параметру.

Недостатком используемых способов управления является упрощенная оценка требуемого уровня управляющего воздействия УУПК. Это приводит к неоптимальному заданию степени компенсации особенно в переходном процессе.

Проанализированы эффекты, возникающие при коротких замыканиях (КЗ) на ЛЭП с управляемой и неуправляемой продольной компенсацией и приводящие к формированию новых условий функционирования устройств РЗА. Основными из них являются изменение электрических параметров линии, инверсия напряжения или тока, возникновение низкочастотного колебательного процесса при КЗ.

Кратко рассмотрены применяемые меры по адаптации устройств дистанционной защиты (ДЗ) к новым условиям функционирования: поляризация от неповрежденной фазы, память по напряжению, выбор места подключения дистанционной защиты к трансформаторам тока и напряжения и соответствующий расчет параметров срабатывания. Оценены предельные значения электрических параметров ЛЭП с УУПК, характеризующих повреждения на компенсированных линиях с учетом новых условий функционирования. Определены расчетные условия выбора параметров срабатывания ДЗ, устанавливаемых на ЛЭП с УУПК.

Выше изложенные результаты показывают, что значения электрических параметров ЛЭП с УУПК, характерные для КЗ в различных точках сети, близки по своим значениям. В связи с этим селективно выявить повреждения для ДЗ на фоне близких по электрическим параметрам аварийных режимов с помощью традиционно используемых защит и способов их построения во многих случаях невозможно.

Выводы:

1. Эффективность традиционных способов управления и защиты линий электропередачи с управляемым устройством продольной компенсации недостаточна, т.к. не обеспечивается в полной мере гашение колебаний в переходных режимах и наблюдается ухудшение свойств дистанционных защит при повреждениях на компенсированных линиях.

2. Сопоставление и анализ отечественного и зарубежного опыта показали необходимость детального исследования оценки значений электрических параметров компенсированной ЛЭП и разработки новых способов и алгоритмов управления УУПК, а также новых способов построения релейной защиты ЛЭП с УУПК.

3. Выявлена возможность повышения эффективности работы регуляторов УУПК за счет применения удаленных измерений и микропроцессорной техники с расширенными вычислительными возможностями.

4. Отмечено, что при общепринятом способе построения устройств дистанционной защиты, заключающемся в их размещении по концам электропередачи с управляемой продольной компенсацией, селективно выявить повреждения на фоне близких по электрическим параметрам аварийных режимов невозможно.

Во второй главе «Разработка и исследование способов оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам» рассмотрены аналитические решения задачи определения угла 5 между векторами напряжений по концам компенсированной линии. Предложен способ оценки величины активной мощности послеаварийного установившегося режима в переходном режиме (прогнозируемое значение активной мощности).

Проанализированы требования к определению угла 8 и к прогнозируемому значению активной мощности линии в переходном режиме при их применении в регуляторах УУПК. Рассмотрены два варианта определения величины угла 6 между векторами напряжений по концам компенсированной линии:

- передача данных по каналам связи от устройств РМ11 системы

мониторинга переходных режимов;

- численная оценка на базе стандартных соотношений и известных

параметров сети.

При этом использование в регуляторах УУПК измеренного значения угла 5 открывает новые возможности при разработке алгоритмов управления УУПК. Это позволяет проводить оценки значений параметров переходного режима в процессе колебаний, а именно прогнозируемого значения активной мощности.

Для синтеза способа ее оценки принимается допущение о консерватизме электроэнергетической системы в рамках полупериода колебаний в переходном процессе. В этом случае справедливо соотношение (1), определяющее взаимосвязь между расчетным интегралом активной

мощности по углу и площадками ускорения/торможения ротора эквивалентного генератора на каждом полупериоде колебательного процесса (рис. 1.а). Преобразование уравнения (1) приводит к соотношению (2), позволяющему оценить прогнозируемое значение активной мощности на каждом полупериоде колебаний (рис. 1.6):

А = А^+Б-А^ = //>(£)<«. (1)

Р = Р А П\

* прагреж. л коя с « > Ч^/

кон ^нач

где л , а^ и лтрл, - характеристики избыточной энергии, энергии ускорения и торможения, соответственно, на полупериоде колебаний;

Р(5) - текущее значение активной мощности;

в = С™, -5„„) - вспомогательный параметр;

Рут - значения активной мощности, передаваемой по компенсированной линии, в конце текущего полупериода колебания;

Р„рогр,ус. • прогнозируемое значение активной мощности компенсированной линии;

и 8т - значения углов 5 в начале и конце текущего полупериода

Рис. 1. Фрагмент угловой характеристики мощности при неглубоких качаниях (а) и графическое представление проводимых операций на угловой характеристике мощности (б)

Исследован предлагаемый способ оценки прогнозируемого значения активной мощности при условии наличия кратковременной и длительной разгрузок турбин генераторов, КЗ с последующим автоматическим повторным включением (АПВ) и различных уровней тяжести возмущающего воздействия на компенсированной линии. Исследования проведены с

применением способа площадей теории электромеханических переходных процессов и с учетом особенностей определения моментов начала и конца полупериодов.

Для последующего определения параметров алгоритмов управления УУПК выполнена оценка погрешностей оценки угла 3 и прогнозируемого значения активной мощности. Анализ проведен на базе информации о погрешности измерения величины активной мощности и векторов напряжений по концам компенсированной ЛЭП, а также моментов смены полупериодов колебаний. Результаты оценки позволяют сделать вывод о возможности применения угла 5 и прогнозируемого значения активной мощности для управления степенью компенсации УУПК.

Выводы:

1. Предложен и исследован способ оценки значений электрических параметров переходного режима для регуляторов управляемого устройства продольной компенсации. Способ основан на проведении расчетов по данным об активной мощности, передаваемой по компенсированной линии, и об угле 5 между векторами напряжений по концам указанной линии, что позволяет проводить расчет прогнозируемого значения активной мощности компенсированной линии в месте установки управляемого устройства продольной компенсации.

2. Для последующего корректного задания параметров алгоритмов управления УУПК проведен анализ погрешности оценки угла 5 и прогнозируемого значения активной мощности. Она составила не более 4,2% и 16% соответственно. Указанные величины в целом не превышают величину инженерной погрешности и могут быть учтены методически в регуляторах продольной компенсации, использующих данные параметры.

3. Для корректного задания граничных условий работы регулятора УУПК с усовершенствованной структурной схемой выявлены режимы некорректной оценки прогнозируемого значения активной мощности. Для исправления результатов расчета предложена его блокировка по сигналу от устройств релейной защиты и автоматики линии электропередачи.

В третьей главе «Разработка и исследование способа и алгоритма управления УУПК» дано описание нового способа и алгоритма управления УУПК. На его основе предложена усовершенствованная структурная схема регулятора УУПК. Рассмотрены результаты сравнительного анализа регуляторов с традиционной и усовершенствованной структурными схемами, проведенных в программном комплексе моделирования РБСАО.

На примере схемы «станция - шины бесконечной мощности» проведена оценка эффективности действия традиционных алгоритмов управления УУПК. В результате анализа установлено, что применяемые в настоящее время в регуляторах УУПК пропорционально-интегральные и дифференциальные алгоритмы, в силу своей специфики, не оптимально используют возможности УУПК как одного из устройств, обеспечивающего гашение колебаний электрических параметров режима в переходном процессе.

Предложено усилить демпфирующие возможности УУПК за счет нового способа его управления, В соответствии с предлагаемым способом смена уровня упреждающих управляющих воздействий происходит по заданному алгоритму управления в начале каждого полупериода колебаний переходного процесса, по факту изменения знака управляющего воздействия от дифференциального алгоритма. Благодаря этому, с учетом распределения запаса кинетической энергии ротора эквивалентного генератора ускоряющейся части энергосистемы, достигается значительный дополнительный эффект в части гашения колебаний в переходном режиме.

Для синтеза алгоритма управления по предлагаемому способу использованы уравнения относительного движения роторов эквивалентных генераторов двух подсистем, связанных с помощью ЛЭП с УУПК (3) и (4). При этом принято, что мощности турбин, нагрузки и напряжения по концам ЛЭП остаются неизменными, а потери в линии отсутствуют.

где Р„{б^Зг,Ах^,) - активная мощность, передаваемая по линии с УУПК;

Тп,Тп - постоянные инерции эквивалентных генераторов подсистем;

Л-и Л-2 _ мощности турбин эквивалентных генераторов подсистем;

Рн1< Рт — мощности нагрузок подсистем;

<5, и углы роторов эквивалентных генераторов подсистем;

Дхра - сопротивление УУПК, определяемое действиями регулятора УУПК в переходном режиме.

Преобразование соотношений (3) или (4) с учетом соотношения (5) и утверждения, что в момент прохождения точки равновесного состояния ускорение роторов эквивалентных генераторов равно нулю, позволяет получить значение требуемой степени компенсации, определяемой по соотношению (6). При этом алгоритм управления УУПК по предлагаемому способу обеспечивает задание уровня упреждающего управляющего воздействия по отклонению от прогнозируемого значения текущей величины активной мощности. При этом указанное отклонение учитывает влияния постоянных инерции и текущего угла 5вл между векторами напряжений по концам ЛЭП с УУПК.

Тп • - Л-1 +Л„ +л,(г,л,л*л„)=о,

(3)

(4)

(5)

р

* паи овзг

(6)

где С/,, и2 - напряжения по концам компенсированной линии; Х'вл = Хвп - - индуктивное сопротивление ЛЭП с сопротивления УУПК исходного нормального режима;

вл

вл

"упк

учетом

<?вл " У1011 между векторами напряжений по концам НЭП с УУПК;

Р„р(1Г,.,г,ж - прогнозируемое значение активной мощности ЛЭП с УУПК;

Ргт - мощность в момент фиксации смены полупериода колебаний;

= 0,7 - коэффициент отстройки, учитывающий скачок в степени компенсации и погрешность в оценке электрических параметров режима.

В случае ускорения ротора эквивалентного генератора значение Рю„ меньше прогнозируемого значения активной мощности и изменение степени компенсации УУПК в соответствии с соотношением (6) положительное. Это соответствует повышению пропускной способности и текущего значения мощности, передаваемой по ЛЭП с УУПК. При торможении ротора эквивалентного генератора происходит обратное, и значение предлагаемого по новому способу и алгоритму управления воздействия отрицательные.

Для реализации управляющего воздействия на первом полупериоде колебаний после сильного возмущения, когда прогнозируемое значение активной мощности еще не определено, а по условиям динамической устойчивости требуется максимально увеличить пропускную способность линии, в рассматриваемом алгоритме управления УУПК применяется его форсировка на заданную величину. Вместе с этим в алгоритме управления также предусмотрен ряд блокировок, учитывающих некорректную оценку прогнозируемого значения активной мощности и неправильное задание степени компенсации при асинхронном режиме.

Предложена усовершенствованная структурная схема регулятора УУПК. объединяющая пропорционально-интегральный и дифференциальный алгоритмы и алгоритм по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности (рис. 2).

В усовершенствованную структурную схему регулятора, включающую блок «Контроль установившегося режима» (пропорционально-интегральный алгоритм) и «Гашение колебаний» (дифференциальный алгоритм), вводятся два новых программных блока, позволяющих реализовать новый способ управления УУПК.

Программные блоки «Оценка Р» и «Оценка ХуупК» выполняют расчет прогнозируемого значения активной мощности и базового значения степени компенсации Хфикс.н. на полупериоде колебаний переходного процесса. Итоговое управляющее воздействие от регулятора определяется как сумма базового значения ХфикС.н., определенного новыми программными блоками, и непрерывно изменяющихся управляющих воздействий, сформированных блоками «Контроль установившегося режима» и «Гашение колебаний».

Проведен сравнительный анализ и исследование работоспособности традиционной и усовершенствованной структурных схем регулятора УУПК. Для этого в среде программного моделирования Р8САБ оценена стандартная модель УУПК, предлагаемая в библиотеке программы моделирования, а так же создана и исследована тестовая модель электрической сети, содержащая ЛЭП с УУПК и позволяющая моделировать переходные процессы (рис. 3). Результаты исследования показали допустимое значение отклонения

замеренных в моделях данных от теоретических величин, не превышающих во всех случаях 2-3%, что подтверждает адекватность применяемой модели сети и самого УУПК, а также возможность их применении в сравнительном анализе и исследовании работоспособности традиционной и

Рис. 2. Структурная схема регулятора

500 кВ ПС1

С1 Т1 03__04

ГЛ I ^ Ь-ЫуупкЛ-—-О-

ПС2 500 кВ

-СИ Т2

С2

15,75 кВ

-р-| уупкГ]^-05 К1

влз

т

К2

КЗ

-о-ь

07

ЭнПС1 50СКВ АТ1

220 кВ | 220 кВ I

опром2 у

ажЭ

15,75 кВ

20 кВ + 220 у

т опром2 т

5пром1 220 кВ опромЗ

22С кВ 220 кВ

ЗнПСЗ

50СкВ

Рис. 3. Схема моделируемой электрической сета

Далее исследованы демпфирующие свойства регуляторов, имеющих традиционную и усовершенствованную структурную схему, для основных видов возмущений:

- однофазные, двухфазные и трехфазные короткие замыкания с последующим успешным и неуспешным автоматическим повторным включением (АПВ) на линии BJI1 500 кВ (рис. 3);

- избыток/дефицит мощности в ЭЭС1 в связи с отключением крупного потребителя;

- дефицит мощности в ЭЭС2 в связи с отключением крупной станции;

- отключение параллельной линии ВЛ2 (рис. 3);

- реверс мощности, асинхронный ход.

Результаты проведенного сравнительного анализа позволяют сделать вывод о том, что регулятор с усовершенствованной структурной схемой обеспечивает улучшение демпфирующей способности УУПК. Наблюдается сокращение длительности нормального переходного процесса в 1,2-2 раза (рис. 4 и 5) в зависимости от схемы, вида возмущения и параметров. В частности, при возникновении реверса мощности возможно снижение времени гашения возникающих колебаний более чем в 2 раза. Также выявлено, что в связи с повышением эффективности гашения колебаний появляется возможность уменьшить на 10-15% диапазон изменения степени компенсации УУПК при сохранении требуемого уровня демпфирующей способности, в том числе и при предотвращении самораскачивания.

М»ото вомигномни трахфаэиого КЗ

Рис. 4. Диаграммы длительности нормального переходного процесса при трехфазном КЗ в точках Kl, К2 и КЗ с АПВ

Р, МВт 4

ä

з-с tjfc

я— а —

IQ — sl—

F МВт

S4 2А

Рис.5. График изменения активной мощности при возмущении в виде однофазного КЗ в ЭЭС с УУПК при новом (а) и традиционном (б) регуляторе

Ei J^ ¿.ГО;».';, j

Выводы:

1. Предложены, исследованы и обоснованы новый способ и алгоритм управления УУПК по отклонению активной мощности от прогнозируемого значения. Решение основано на применении упреждающего управляющего воздействия, формируемого в начале каждого полупериода колебаний, по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности, передаваемой по компенсированной линии.

2. Разработана усовершенствованная структурная схема регулятора УУПК, которая объединяет управляющие воздействия от пропорционально-интегрального и дифференциального алгоритмов и алгоритма по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности. Применение регулятора с усовершенствованной структурной схемой повышает эффективность применения УУПК' как одного из элементов, обеспечивающего гашение колебаний в переходных режимах.

3. Сравнительный анализ традиционной и усовершенствованной структурных схем регулятора, проведенный с использованием различных моделей электрических сетей, реализованных в программе РБСАВ, подтвердил преимущества усовершенствованной схемы. Они выражены в повышении демпфирующей способности УУПК в виде сокращения длительности колебательного процесса и возможности уменьшения регулировочного диапазона УУПК.

В четвертой главе «Разработка и исследование способа построения релейной защиты, устанавливаемой на ЛЭП с УУПК» рассмотрен вопрос реализации нового способа построения релейной защиты, устанавливаемой на линиях с УУПК.

Исходя из предельных значений электрических параметров ЛЭП с УУПК, характеризующих повреждения на компенсированных линиях, и расчетных условий выбора параметров срабатывания ДЗ, устанавливаемых на ЛЭП с УУПК, сформирован новый способ построения защит. В соответствии с ним предложено выделить на ЛЭП с УУПК однородные по контролируемым электрическим параметрам участки и осуществлять контроль указанных параметров на этих участках отдельными защитами.

При этом для дистанционного принципа на ЛЭП с УУПК выделяют однородные участки электропередачи с распределенными и сосредоточенными параметрами, на каждом из которых действуют отдельные устройства ДЗ с соответствующими согласованными характеристиками срабатывания, например, два участка (рис. б.а) или три участка (рис. 6.6).

Предлагаемый способ применен только для 1-ой и 2-ой ступеней. Резервирование действия указанных ступеней 3-ими ступенями производится только по концам компенсированной ЛЭП.

Для реализации предложенного способа в систему управления и защиты УУПК дополнительно вводятся две двухступенчатые ДЗ, к которым подведены напряжения от трансформаторов напряжения (ТЫ), подключенных с обеих сторон УУПК.

Сигналы о срабатывании ступеней ДЗ, расположенных у УУПК, объединяются по схеме ИЛИ в единую команду на отключение. Указанная команда передается по каналу связи на отключение выключателей, установленных по концам линии, или на отключение дополнительного выключателя (если он имеется) вблизи УУПК (рис. 7).

ЭЭС1

--О

ЭЭС2

О

ЭЭС2

О--

Рис. 6. Схемы разделения компенсированной линии на два (а) и три (б) контролируемых защитами участка

Ь,/2

^ |

ТТ2 02

т

С2

Рис.7. Схемы взаимодействия комплектов ДЗ компенсированной линии при передаче команды на отключение на концевые выключатели и на выключатель у УУПК

Параметры срабатывания первых и вторых ступеней ДЗ, исходя из условий обеспечения селективности, определяются так:

= ^уут^отг\^ВЛУУПК > ПРИ С^ВЛ УУПК ~ %УУПК .них)"* ' щ уупк\ (7)

^УУПК уупк_т«х) 1фИ (Х^ЛУУПК ~ %УУПК < ^уут^ВЛ УУПК ' (Ю

(9) (Ю)

гДе - коэффициент, учитывающий место установки УУПК на линии (при установке одного УУПК к„„г= 0,5; при установке двух УУПК -

К™, . Кжп . *Т1 И кт2 - коэффициенты отстройки для 1-ой и 2-ой ступеней и коэффициенты токораспределения;

^влуупк , ХЫаяж , и - индуктивные сопротивления

компенсированной и смежной линий, силового трансформатора и максимальное значение степени компенсации УУПК соответственно.

Проведен анализ работы ДЗ при ее традиционном и новом способах построения. Анализ выполнен как теоретически на базе стандартных расчетных соотношений, так и на моделях сетей, реализованных в программном комплексе моделирования РЗСАБ (рис. 8).

Рис. 8. Схема сети для исследования вариантов построения ДЗ на компенсированной ЛЭП с УУПК.

Результаты исследований подтвердили обоснованность принятых при разработке способа построения защит решений и показали его эффективность. В частности максимальный эффект от применения нового способа построения защит для ДЗ зафиксирован при применении отключения концевых выключателей и выражается в существенном увеличении длин зон первых ступеней ДЗ с одновременным обеспечением согласованной селективной работы устройств ДЗ, установленных на смежных элементах.

1. Предложен новый способ построения защиты линии с УУПК. Способ основан на выделении на ЛЭП с УУПК однородных по контролируемым параметрам участков и осуществлении контроля параметров на этих участках отдельными защитами, что позволяет повысить их быстродействие и степень селективности.

2. Исследования нового способа построения защиты ЛЭП с УУПК, проведенные на моделях сетей, реализованных в программе РвСАО, подтвердили его эффективность за счет улучшения основных свойств:

- существенное расширение зоны двухстороннего отключения поврежденной линии без выдержек времени, которое составляет до 50% длины линии;

0,33);

Выводы.

- существенное расширение суммарных длин зон первых ступеней ДЗ, действующих без выдержки времени с каждой из сторон линии (от 30% до 70% длины линии);

- обеспечено строгое согласование и селективное действие защит, установленных на ЛЭП с УУПК, с защитами, установленными на смежных элементах электрической сети.

Основные научные и практические результаты работы

1. Предложен, исследован и обоснован способ оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам, позволяющий проводить расчет прогнозируемого значения активной мощности компенсированной линии в месте установки УУПК. Способ основан на проведении расчетов по данным об активной мощности, передаваемой по компенсированной линии, и об угле 5 между векторами напряжений по концам указанной линии.

2. Предложены, исследованы и обоснованы новый способ и алгоритм управления продольной компенсацией по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности, что позволило повысить демпфирующую способность УУПК. Показано, что регулирование может осуществляться с помощью упреждающих управляющих воздействий, формируемых в начале каждого полупериода колебаний по оценке отклонения от прогнозируемого значения текущей величины активной мощности, передаваемой по компенсированной линии.

3. Разработана, исследована и обоснована усовершенствованная структурная схема регулятора продольной компенсации, обеспечивающая объединение пропорционально-интегрального и дифференциального алгоритмов и алгоритма по отклонению от прогнозируемого значения активной мощности. Доказано, что применение вновь разработанных алгоритмов в регуляторе с усовершенствованной структурной схемой позволило повысить эффективность применения УУПК, как одного из устройств, обеспечивающего гашение колебаний в переходном процессе.

4. Предложен, исследован и обоснован новый способ построения релейной защиты, устанавливаемой на электропередаче с продольной компенсацией, обеспечивающий повышение быстродействия и селективности защиты, реализуемой на дистанционном принципе. Для реализации способа условно выделяются однородные участки электропередачи с распределенными и сосредоточенными параметрами, на каждом из которых действуют отдельные защиты с соответствующими согласованными характеристиками срабатывания.

5. Проведены исследования способов управления и защиты ЛЭП с УУПК, результаты которых подтвердили обоснованность принятых при разработке решений, позволили выбрать оптимальные варианты управления и защиты и показали инженерную эффективность предложенных способов. Ожидаемый технический, эффект от новых способов выражается в

улучшении свойств продольной компенсации и защит, устанавливаемых на ЛЭП с УУПК:

- уменьшение времени переходного процесса не менее, чем в 1,2 раза по сравнению с традиционными решениями;

уменьшение требуемого диапазона изменения емкостного сопротивления УУПК при ликвидации самораскачивания электропередачи на 10-15%;

- расширение зоны двухстороннего отключения поврежденной линии без выдержек времени, которое может составлять до 50% длины линии;

- расширение суммарной длины зон первых ступеней ДЗ, действующих без выдержки времени с каждой из сторон линии (от 30 до 70% длины линии);

обеспечение более строгого согласования и, следовательно, селективного действия защит, установленных на ЛЭП с УУПК, с защитами, установленными на смежных элементах электрической сети, что снижает вероятность неправильных действий релейной защиты.

6. Внедрение и практическая значимость результатов работы заключаются в следующем;

• в повышении эффективности продольной компенсации ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения в переходных режимах за счет более совершенного управления УУПК. Это выражается в усилении демпфирующей способности УУПК, а также в повышении селективности и быстродействия комплекса релейной защиты и автоматики компенсированной линии;

• в использовании ОАО «ВНИИР» способа построения релейной защиты, устанавливаемой на электропередаче с продольной компенсацией, при создании типовых шкафов РЗА, предназначенных для ЛЭП с УУПК;

• в использовании результатов работы в учебном процессе в НИУ «МЭИ» при реализации электронного учебно-методического комплекса дисциплины «Расчеты релейной защиты электроэнергетических систем» кафедры «РЗ и АЭс» по специальности «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем».

Заключение. Диссертация представляет завершенную научно-квалификационную работу, в которой на основании выполненных автором исследований решена актуальная научно-техническая задача совершенствования управления и защиты воздушных линий электропередачи с устройством продольной компенсации на основе разработки и исследования предложенного автором комплекса научно обоснованных способов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные статьи, опубликованные в изданиях перечня ВАК:

1. Колобродов Е. Н. «Новые предложения по применению управляемого устройства продольной компенсации линий» // «Известия высших

учебных заведений. Электромеханика» - Новочеркасск: ЮРГТУ 2012 №2, -с 93-95.

2. Булычев A.B., Колобродов E.H. «Автоматика и защита линий электропередачи с управляемой продольной компенсацией в аварийных режимах» // «Энергетик» - Москва 2012: №12, с. 19-24.

3. Нудельман Г.С., Колобродов E.H. «Конгресс СИГРЭ 2012. Развитие релейной защиты и автоматизации современных электроэнергетических систем» // «Энергетик» - Москва 2012: №12, с. 53-57.

4. Нудельман Г.С., Колобродов E.H. «Реализация функций автоматики ликвидации асинхронного режима на терминалах серии REx670» «Электротехника» - Москва 2011: №1, с. 18-24.

Публикации в других изданиях:

5. Калачев Ю.Н., Колобродов E.H., Сдобин А.В «Реализация функций локальной противоаварийной автоматики на терминалах серии REx670» // Сборник докладов XX конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва 1-4 июня 2010 г. - с. 65-72.

6. Колобродов E.H., Булычев А. В. «Разработка усовершенствованного алгоритма управления УПК с тиристорным управлением». // Тезисы докладов XVII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва 24-25 февраля 2011 г. том 3, - с. 443-445.

7. Колобродов Е. Н., Законьшек Я. «Традиционные алгоритмы и новые решения в области регулирования УУПК». // Аннотации докладов третьей международной научно-технической конференции «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем.», С-П. 30.05-03.06.2011 г. - с. 73 - 74.

8. Колобродов E.H., Нудельман Г. С. «Эффективное управление продольной компенсацией - путь к повышению устойчивости электроэнергетических системы». // Сборник тезисов докладов международной научно -практической конференции «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России», Чебоксары, 17-20 апреля 2012 г. -с. 13.

9. Колобродов E.H. «Эффективное управление продольной компенсацией -путь к повышению устойчивости электроэнергетических системы». // Сборник докладов XXI конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва 29-31 мая 2012 г. - с. 70-80.

10. Колобродов E.H., Нудельман Г.С. «Особенности применения защит на воздушных линиях с управляемой продольной компенсацией» // Сборник тезисов докладов П-ой международной научно - практической конференции и выставки «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России», Чебоксары, 23-26 апреля 2013 г. -

Подписано в печать %9> §JÖ ßГ, Заказ Тир. föö Печ.л.

Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» кафедра Релейной защиты и автоматизации энергосистем

На правах рукописи

04201364690 КОЛОБРОДОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УСТРОЙСТВОМ ПРОДОЛЬНОЙ

КОМПЕНСАЦИИ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Булычев Александр Витальевич

Москва-2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ 1 ОГЛАВЛЕНИЕ 2 ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................................5

1. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЛИНИИ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ 8

1.1. Принцип работы и режимы УУПК, регулируемого на основе встречно-параллельного включения тиристоров 9

1.2. Основные свойства УУПК 13

1.3. Традиционные алгоритмы управления, применяемые в 18 регуляторах УУПК

1.4. Влияние УУПК на устройства РЗА ЛЭП 25

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ОЦЕНКИ ЗНАЧЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛЭП С УУПК ДЛЯ 33 РЕГУЛЯТОРА УУПК ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПЕРЕХОДНЫМ РЕЖИМАМ

2.1. Управление УУПК в переходных режимах при наличии возможности измерения и использования в регуляторах угла между векторами напряжений по концам компенсированной линии 33

2.2. Оценка прогнозируемого значения активной мощности 39

2.3. Оценка погрешности определения прогнозируемого значения активной мощности 53

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА И АЛГОРИТМА 57 УПРАВЛЕНИЯ УУПК

3.1. Анализ эффективности традиционных алгоритмов управления УУПК 57

3.2 Способ управления степенью компенсации УУПК по отклонению

от прогнозируемого значения активной мощности 71

3.3. Исследование алгоритма управления УУПК по отклонению активной мощности от прогнозируемого значения 80

3.4. Структурная схема усовершенствованного регулятора УУПК 84

3.5. Проведение испытаний на моделях сетей, реализованных в программе моделирования PSCAD 89

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПОСТРОЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, УСТАНАВЛИВАЕМОЙ НА ЛЭП С УУПК 108

4.1.Новый способ построения релейной защиты ЛЭП с УУПК на 108 примере дистанционного принципа

4.2. Анализ достигаемых показателей дистанционных защит на ЛЭП с УУПК при применении нового способа построения защит 111

4.3 Организация команды на отключение устройств дистанционных защит, установленных на ЛЭП с УУПК 124 4.4. Испытания нового способа построения защит на ЛЭП с УУПК 131

Заключение................................................................................................................................................................................134

Список литературы........................................................................................................................................................136

Приложение 1. Акты о внедрении результатов работы соискателя 143

Приложение 2. Оценка эффективности применения УУПК на ЛЭП 144

Приложение 3. Оценка эффективности установки УУПК в различных 149

точках ЛЭП

Приложение 4. Численная оценка влияния УУПК на длины зон, 151

защищаемых первыми и вторыми ступенями ДЗ компенсированной ЛЭП Приложение 5. Оценка стандартных моделей УУПК в программе PSCAD 155 Приложение 6. Оценка исходной модели сети 167

Приложение 7. Сравнительная оценка традиционного регулятора УУПК 181 и регулятора с усовершенствованной структурой в сети станция-ШБМ

Приложение 8. Сравнительная оценка традиционного регулятора У УПК 202

и регулятора с усовершенствованной структурой в двухмашинной

системе

Приложение 9. Оценка усовершенствованного способа построения ДЗ на 218 линии с УУПК в программе Р8САГ)

Приложение 10. Перечень используемых сокращений 237

ВВЕДЕНИЕ

Стремление повысить пропускную способность линий электропередачи (ЛЭП) вызывает необходимость изменять их электрические параметры в процессе работы. Для этих целей в сетях высокого и сверхвысокого напряжения, в основном за рубежом, применяют управляемые устройства продольной компенсации (УУПК), позволяющие изменять электрические параметры ЛЭП в зависимости от режимов. В Российской Федерации это направление работы также приобретает все больший масштаб.

В связи с этим существенно изменяются условия работы релейной защиты и автоматики (РЗА), при которых устройства РЗА должны обеспечить управление и защиту элементов энергосистемы во всех режимах работы сети. При этом традиционные способы управления и защиты, основанные на моделях элементов электроэнергетических систем с постоянными электрическими параметрами во многих случаях неприменимы.

Все это приводит к необходимости пересмотра требований к устройствам РЗА в части новых способов управления и защиты УУПК и ЛЭП с УУПК.

В этих условиях совершенствование способов управления и защиты ЛЭП с продольной компенсацией играет важную роль в повышении эффективности использования УУПК и самих электроэнергетических систем и представляет собой значимую и актуальную научно-техническую задачу, решение которой и составляет содержание диссертационной работы.

Таким образом, целыо работы является совершенствование управления и защиты воздушных линий электропередачи с устройством продольной компенсации на основе разработки и исследования предложенного автором комплекса научно обоснованных способов.

Усилиями ведущих в области релейной защиты и автоматики коллективов научных школ («НИУ «МЭИ», СпбГПУ, ЧТУ и др.), научно исследовательских организаций (ОАО «ВНИИР», ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (ВНИИЭ), ОАО «НТЦ ЕЭС» (НИИПТ), ОАО «Сибирский ЭНТЦ» и др.) и международных организаций (IEC, CIGRE, IEEE) решены многие научно- технические задачи, связанные с внедрением неуправляемой продольной компенсации.

С другой стороны, построение интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС) привело к новому толчку во внедрении УУПК в России и в мире. При этом многие задачи, решенные ранее для нерегулируемой компенсации, в условиях применения УУПК и развития техники и технологий приобрели другую значимость. Это требует пересмотра решений в области управления и защиты для случаев использования управляемой продольной компенсации.

В частности, применение традиционных регуляторов УУПК, основанных на пропорционально-интегральном и дифференциальном алгоритмах, обеспечивает регулирование пропускной способности ЛЭП, гашение синхронных колебаний в переходных режимах и предотвращение возникновения подсинхронных колебаний. Однако указанные алгоритмы не

позволяют раскрыть все возможности указанных устройств, что выражено в неоптималыюм задании степени компенсации УУГЖ, особенно в переходном режиме.

Также необходимо отметить, что сближение значений электрических параметров ЛЭП с УУПК, характерных для коротких замыканий (КЗ), возникающих в различных точках, существенно затрудняет работу устройств РЗА компенсированной линии. В связи с этим селективно выявить повреждения для дистанционной защиты (ДЗ) на фоне близких по электрическим параметрам аварийных режимов с помощью традиционно используемых защит и способов их построения во многих случаях невозможно.

Хорошие перспективы в области совершенствования управления и защиты ЛЭП с УУПК открывает применение способов их управления, основанных на формировании упреждающих воздействий, и способов построения защит, основанных на выделении на ЛЭП с УУПК однородных по контролируемым электрическим параметрам участков с последующей защитой указанных участков отдельными устройствами. Кроме того, прогресс в области микроэлектроники дает широкие возможности для повышения точности измерений и углубленной обработки полученных сигналов.

Таким образом, способы управления и защиты ЛЭП с УУПК должны быть адекватны возможностям современной техники обработки сигналов и максимально полно их использовать для повышения эффективности применения УУПК и работы электроэнергетических систем. В диссертации решена актуальная научно-техническая задача совершенствования управления и защиты воздушных линий электропередачи с устройством продольной компенсации, повышающих эффективность ее применения на основе разработки и исследования предложенного автором комплекса научно обоснованных способов. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

■ обоснование направления совершенствования способов управления и защиты линии электропередачи с продольной компенсацией;

■ разработка и исследование способов оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам;

■ разработка и исследование способа и алгоритма управления УУПК;

■ разработка и исследование способа построения релейной защиты, устанавливаемой на ЛЭП с УУПК.

Первая глава диссертации «Обоснование направления совершенствования способов управления и защиты линии электропередачи с продольной компенсацией» посвящена оценке существующих устройств управления и защиты ЛЭП с УПК/УУПК и самих УУПК. Также показано направление их совершенствования за счет селективной ликвидации повреждений и повышения эффективности использования регулировочного диапазона самого УУГЖ. Проанализированы известные способы управления степенью компенсации УУПК и эффекты, возникающие при КЗ на ЛЭП с УУГЖ. Оценены предельные

значения электрических параметров ЛЭП с УУПК, характеризующих повреждения на компенсированных линиях. Рассмотрены расчетные условия выбора параметров срабатывания ДЗ, устанавливаемых на ЛЭП с УУПК. Сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе «Разработка и исследование способов оценки значений электрических параметров ЛЭП с УУПК для регулятора УУПК применительно к переходным режимам» рассмотрены аналитические решения задачи определения угла 5 между векторами напряжений по концам компенсированной линии. Предложен способ оценки величины активной мощности послеаварийного установившегося режима в переходном режиме (прогнозируемое значение активной мощности).

В третьей главе «Разработка и исследование способа и алгоритма управления УУПК» дано описание нового способа и алгоритма управления УУПК. На его основе предложена усовершенствованная структурная схема регулятора УУПК. Рассмотрены результаты сравнительного анализа регуляторов с традиционной и усовершенствованной структурными схемами, проведенных в программном комплексе моделирования Р8САЭ.

В четвертой главе «Разработка и исследование способа построения релейной защиты, устанавливаемой на ЛЭП с УУПК» рассмотрен вопрос реализации нового способа построения релейной защиты, устанавливаемой на линиях с УУПК. Описана суть предложенного способа и принципы выбора уставок, а также выполнены оценки селективности и быстродействия устройств ДЗ, размещенных в соответствии с предлагаемым способом построения защит на ЛЭП с УУПК.

Глава 1. Обоснование направления совершенствования способов управления и защиты линии электропередачи с продольной

компенсацией

Постоянный рост нагрузки в сложно замкнутых сетях, имеющих связи как на высоком (ВН) 110-220 кВ, так и на сверхвысоком напряжении (СВН) 330-750 кВ, приводит к необходимости регулирования пропускной способности на указанных связях. Одним из решений данной проблемы является применение элементов ААС. При этом наибольшее распространение в мире в целом получили управляемые на основе встречно-параллельного включения тиристоров УУПК. В частности, уже построены и введены в эксплуатацию ЛЭП с УУПК в США, Бразилии, Швеции, Китае [1-4] и в других странах (таблица №1.1)

Таблица 1.1. Места установок УУПК

№ Страна Место установки Напряжение, кВ Решаемые задачи

1 США ПС Kayenta, Аризона 230 Повышение пропускной способности

2 США ПС C.J.Slatt, 500 Управление мощностью, передаваемой по линии

3 Швеция Stode 400 Гашение ББЛ

4 Бразилия ПС Imperatriz и Sarra de Mesa 500 Гашение межсистемных колебаний

5 Китай ПС Pinguo 500 Гашение низкочастотных колебаний и повышение устойчивости системы

6 Индия ПС Raipur 400 Гашение межсистемных колебаний, повышение пропускной способности

7 Китай Северо-Западная энергосистема Китая 220 Гашение низкочастотных колебаний и повышение устойчивости системы

Ведутся исследовательские работы по вопросу установки продольной компенсации и на ряде объектов ЕЭС РФ [5,6]. В частности, инвестиционной программой ОАО «ФСК ЕЭС» планируется установка подобных устройств на ряде объектов в Карелии, Сибири и на Дальнем Востоке.

При этом сами УУПК представляют собой сложные объекты, включающие в себя, как первичное оборудование, так и достаточно большой комплекс вторичных устройств, обеспечивающих изменение степени компенсации линии, на которую устанавливается рассматриваемое устройство, и защиту первичного оборудования от анормальных режимов работы.

Рассмотрим более детально вопросы, связанные со способами управления УУПК, местами его наиболее рациональной установки и проблемами, возникающими перед устройствами РЗА при их применении на линиях с продольной компенсацией.

1.1. Принцип работы и режимы УУПК, регулируемого на основе встречно-параллельного включения тиристоров

УУПК является управляемым сосредоточенным емкостным сопротивлением, включенным последовательно с ЛЭП. Применение рассматриваемого устройства позволяет проводить регулирование режима сети в широком диапазоне путем изменения электрических параметров комплекса ЛЭП-УУПК. Основной принцип, на котором базируется регулирование емкостного сопротивления непосредственно в УУПК, заключается в изменении напряжения основной гармоники, приложенного к конденсаторной батарее с фиксированной емкостью, что достигается путем регулирования угла открытия тиристоров а тиристорного блока управления УУПК.

Упрощенное понимание процессов в УУПК дает схема рис. 1.1.а, включающая в себя конденсаторную батарею (КБ), соединенную параллельно с управляемым реактором (управление реактором происходит путем изменения угла открытия тиристоров а) [1]. При этом необходимо учесть, что при рассмотрении простой ЬС цепи напряжения и токи в схеме синусоидальные с частотой 50 Гц, в то время, как применительно к случаю управления реактором, шунтирующим КБ, с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров токи и напряжения имеют несинусоидальную форму.

а). б).

Рис. 1.1. Упрошенная модель УУПК (а) и зависимость сопротивления УУПК от индуктивного

сопротивления реактора

Эквивалентное сопротивление схемы определяется соотношением (1.1) и представлено на рис. 1.1.6

2Ж=-}-(1.1)

соС--

о)Ь

где С - емкость КБ УУПК; Ь - индукция реактора УУПК; со = - угловая частота.

Указанное эквивалентное сопротивление будет иметь емкостной характер,

если а)Ь>-^—. В этом случае индуктивное сопротивление реактора больше, чем

озС

величина емкостного сопротивления КБ УУПК [1]. С увеличением индуктивности происходит уменьшение эквивалентного емкостного сопротивления в пределе до уровня емкостного сопротивления КБ (см. рис. 1.1.6).

В случае, если coL <-í—, то эквивалентное сопротивление устройства имеет

íüC

индуктивный характер. Аналогично рассмотренному выше случаю эквивалентного емкостного сопротивления при увеличении coL (в пределе до

) наблюдается повышение эквивалентного индуктивного сопротивления

соС

устройства (см. рис. 1.1).

При этом для обоих режимов необходимо отметить, что токи в LC контуре УУПК больше тока линии, на которую устанавливается устройство (рис. 1.2). В предельном случае при переходе из емкостного режима в индуктивный наблюдается резонанс токов в LC контуре [7].

1вл

1вл

а).

Uc

б).

Рис. 1.2. Векторные диаграммы УУПК в емкостном (а) и индуктивном (б) режиме

Следовательно, имеются ограничения по управлению уровнем сопротивления в емкостном и индуктивном режимах, связанные с уровнями токов в УУПК.

Таким образом, анализ поведения УУПК с тиристорным управлением сводится к анализу поведения параллельно соединенной ЬС цепи. При этом можно выделить следующие режимы работы устройства:

1) тиристоры полностью открыты;

2) тиристоры закрыты;

3) тиристоры частично открыты (емкостной или индуктивный режим УУПК).

в). ч г).

Рис. 1.3. Токораспределение в разных режимах УУПК: а - шунтирование КБ УУГЖ тиристорами; б -блокировка работы тиристоров УУПК; в-тиристоры частично открыты (емкостной режим УУПК); г — тиристоры частично открыты (индуктивный режим УУПК)

Первый режим соответствует углу открытия тиристоров а=90° (рис. 1.3 а), т.е. в индуктивной схеме тиристоры открываются как только напряжение, прикладываемое к тиристорам, становится положительным. Соответственно токи, протекающие как через реактор, так и через КБ, синусоидальные с частотой 50 Гц, а УУПК ведет себя в данном режиме к