д.т.н. Александр Леонидович Куликов аспирант Александр Николаевич Клюкин

Применение статистического подхода для повышения эффективности токовых

защит дальнего резервирования

д.т.н. А л е к с а н д р Л е о н и д о в и ч Ку л и к о в

аспирант А л е к с а н д р Н и к о л а е в и ч К л ю к и н

Москва01. 12. 2010

Э л е к т р и ч е с к и е с е т и Р о с с и и – Л Э П 2 0 1 0

- 2 -

Современное состояние техники токовых защит дальнего резервирования

Основные защиты

Вспомогательные защиты

Резервные защиты

Ближнее резервирование

Дальнее резервирование

Классификация РЗ по выполняемым функциям

Рисунок 1 – Классификация РЗ по исполняемым функциям

максрабср II .

максрабвоз

запсзапср I

к

ккI .

.

nN

jjмаксраб

n

iiмакспредср

р

снпослср II

k

kI

1)(.

1)(..

..

(1)

(2)

(3)

(4)

ср

аврасчч I

Ik .

Детерминированный способ расчета тока срабатывания и проверка чувствительности РЗ

- 3 -


Эффективность функционирования РЗ*

Рисунок 2 –Повышаемые показатели по критериям оценки эффективности функционирования РЗ

НадежностьСелективность Чувствительность

* Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.

Быстродействие


Q1

Рисунок 3 - Принципиальная схема резервирования

Q3РЗ 2РЗ 1W1

G1

W2Q2 РЗ 3

W3

Основная зона РЗ 1 Резервная зона РЗ 1 Резервная зона РЗ 1

Основная зона Резервная зона

1,5 1,2

Рисунок 4 – Нормативное наименьшие значения

коэффициентов чувствительности

Коэффициенты отстройки

Предел изменения

Kзап 1.1 – 1.2

Kвоз 0.8 – 0.96

Kс.зап 1.2 - 6

Kн.с. 1.1 – 1.5

чkТаблица 1 – Рекомендуемые значения коэффициентов

- 4 -

Дальнее резервирование является неотъемлемой частью системы РЗ и обладает большей полнотой

резервирования в сравнении с ближним резервированием.

Существующие технические решения, направленные на увеличение чувствительности и

использующие дополнительные информационные признаки, отчасти решают задачу увеличения

эффективности функционирования РЗ.

Использование детерминированного подхода при расчете тока срабатывания РЗ может привести к

необоснованному загрублению чувствительности.

В нормативной документации отсутствует дифференцированный подход к построению системы РЗ в

зависимости от категории потребителей электроэнергии и удаленности защищаемого объекта.

Актуальной задачей является распознавание минимальных аварийных режимов на фоне

максимальных нагрузочных в области их близких значений и принятии решения о действии РЗ


- 5 -

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Участок сети 110 кВ ПС Быструха – ПС Котельнич Нижегородской энергосистемы

- 6 -

Рисунок 5 – Участок сети 110кВ Нижегородской энергосистемы

Удельное сопротивление грунта

Удельное активное сопротивление проводов ВЛ

Частота тока

Напряжение на шинах центра питания

Индуктивность и емкость ВЛ

Нагрузка потребителей

- 7 -

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информации Изменяемые параметры схемы замещения элементов ЭЭС

Законы изменения параметров элементов сети

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 500.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Уде

льно

е ак

тивн

ое с

опро

тивл

ение

пров

одов

ВЛ

AC-70; AC-120; AC-150Rу , Ом/км

t,oCРисунок 6 –Изменение удельного активного сопротивления проводов ВЛ

- 8 -


I II III IV V VI VII VII IX X XI XII0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Уде

льно

е со

прот

ивле

ние

грун

та

Т, месяцы

Rу , о.е.

Рисунок 7 – Сезонное изменение удельного сопротивления грунта

- 9 -


Рисунок 8 – Относительное изменение удельного сопротивления грунта от содержания в нем влаги

2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 300

500

1000

1500

2000

2500

Результаты замеровАппроксимация

Rу , Ом м

Содержание влаги, %

- 10 -


49.8 49.85 49.9 49.95 50 50.05 50.1 50.15 50.20

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

P, o.e.

f , Гц

Рисунок 9 – Изменение частоты тока в Нижегородской энергосистеме

- 11 -


115 116 117 118 119 120 121 1220

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

P, o.e.

U, кВРисунок 10 – Изменение напряжения на шинах питающей подстанции 110 кВ

- 12 -


1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.70

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

P, o.e.

L,мГн

Рисунок 11 – Изменение индуктивности ВЛ

- 13 -


8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.50

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

P, o.e.

C, нФРисунок 12 – Изменение емкости ВЛ

- 14 -

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииИ м и т а ц и о н н о е м о д е л и р о в а н и е

Имитационная модель

Одно испытание

Множество испытаний

Применение имитационного моделирования:

1. Мощный инструмент анализа сложных процессов и систем

2. Отсутствие возможности экспериментировать на реальном объекте.

3. Наличие в системе времени, причинных связей, нелинейности, стохастических (случайных)

переменных.

Рисунок 13 – Способы имитационного моделирования

- 15 -

Статистическое имитационное моделирование

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииМодель участка сети 110 кВ Нижегородской энергосистеме в Matrix Laboratory

Рисунок 14 – Модель участка сети Нижегородской энергосистемы в Simulink\Matrix Laboratory

- 16 -

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииАлгоритм расчета режимов в Matrix Laboratory

no

yes

Расчетz

Z = Z+1

Z > V

Конец

Создание схемы Simulink\SimPowerSystem

Z = 1; k = 1; l = 1

abs(Ij)

max1

max2

save (Ijz)

workspace

Начало

parameters.mat

Анализ топологии схемы

Получение параметров блока

Вычисление модели пространства состояний

Определение начальных значений переменных

Расчет установившегося режима

Дискретизация модели

Построение Simulink-модели

Расчетz

Создание схемы Simulink\SimPowerSystem

Z = 1; k = 1; l = 1

Z = Z+1

abs(Ij)

max1

max2

save (Ijz)

yes

l = l+1

no

yes

no

Z > V

Конец

k > n

k = k+1

no

yes

l > m

workspace

Начало

parameters.mat

Анализ топологии схемы

Получение параметров блока

Вычисление модели пространства состояний

Определение начальных значений переменных

Расчет установившегося режима

Дискретизация модели

Построение Simulink-модели

Рисунок 15 – Блок – схема расчета рабочих режимовРисунок 16 – Блок – схема расчета аварийных режимов- 17 -

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииРассматриваемые режимы ЭЭС

Режимы ЭЭС

Рабочие Аварийные

Рисунок 17 – Имитируемые режимы ЭЭС

- 18 -

Минимальные Максимальные Минимальные Максимальные

)3(kI )2(

kI )1,1(kI )1(

kI

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииРезультаты моделирования в Matrix Laboratory на примере ВЛ 176

319 325 331 337 343 349 355 3610

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Гистограмма токаM(I) = 340.6678 A, Sigma = 6.9551

P, o.e.

I, A 339 343 347 351 355 359 363 367 371 3750

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Гистограмма токаM(I) = 356.8707 A, Sigma = 5.6691

I, A

P, o.e.

Рисунок 18 – Распределение и аппроксимация рабочего тока ВЛ 176 Рисунок 19 – Распределение и аппроксимация минимального аварийного тока ВЛ 176

Рисунок 20– Распределение рабочих и аварийных токов ВЛ 176

- 19 -

150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Четвертая зона резервирования ВЛ176 (Т1)Третья зона резервирования ВЛ176 (Т2)Третья зона резервирования ВЛ176 (Т3)Вторая зона резервирования ВЛ176 (Т4)Первая зона резервирования ВЛ176 (Т5)Рабочий максимальный ток

ST3

=2.5MBA

Р, о.е.

ST1

=40MBA ST2

=40MBA

ST5

=6.3MBA

ST4

=10MBA

I, A

315 320 325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 3800

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

I, A

P, о.е.

Pк.з.(I)

Pраб(I)

M ( Iк.з. )M ( Iраб )


- 20 -

Рисунок 21 – Общая область значений в распределениях рабочих и аварийных токов ВЛ 176

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииКритерий построения РЗ

minоткотккзизлизлраб

CPPCPPM

откзк

излраб

срраб

срзк

СP

CP

Ip

Ip

..

.

.

..0 )(

)(

(5)

(6)

(7)

- 21 -

Минимизация математического ожидания потери эффективности релейной защиты

Пороговое значение сравниваемой величины

Критерий сравнения

0..

)(

)()(

Ip

IpI

раб

зк

315 320 325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 3800

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

I, A

P, о.е.

Pк.з.(I)

Pраб(I)

M ( Iк.з. )M ( Iраб )


Iср

Pизл

Pотк

- 22 -

Рисунок 22 – Выбор порога срабатывания РЗ

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииС п о с о б ы р а с ч е т а в е л и ч и н ы с р а б а т ы в а н и я Р З

2222

...022

0 ........)lnln(ln2

рабзкзкзкрабIIl рабзкраб

)(2)()( 222220 ......... зкрабрабзкрабзк

IIIIIll срсрcp

(8)

(9)

- 23 -

1 вариант

2 вариант

001,0излP

)( излср PfI

001,0откP

)( откср PfI

Разработка методов дальнего резервирования на основе статистической информацииЭ ф ф е к т и в н о с т ь р а з р а б о т а н н ы х т е х н и ч е с к и х р е ш е н и й

- 24 -

Рисунок 23 – Сравнение способов расчета порогового значения

Таблица 2 – Расширение зоны действия РЗ

Зона резервирования

Объект

резервирования Детерминированный метод Статистический метод

1 Т5 – +

2 Т4 – +

3Т3 – –

Т2 – +

4 Т1 – +

... зкраб (11)

)()(

)ln(

2

)()(~

...

02

...0

рабзк

рабзк

IMIM

IMIMl

(13)

0... зкраб (12)

(10)

150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Четвертая зона резервирования ВЛ176 (Т1)Третья зона резервирования ВЛ176 (Т2)Третья зона резервирования ВЛ176 (Т3)Вторая зона резервирования ВЛ176 (Т4)Первая зона резервирования ВЛ176 (Т5)Рабочий максимальный ток

ST3

=2.5MBA

Р, о.е.

ST1

=40MBA ST2

=40MBA

ST5

=6.3MBA

ST4

=10MBA

I, A

Ĩср=352.1A

2160 2180 22000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

I, A

Р, о.е. Iср=2179A

18.6)(

)( детч

статчч K

KK

Технические решения и эффективность применения статистической информацииТехническая реализация статистического алгоритма

Н2

Н1

QF 1

~

GПС 1 ПС 2 ПС 3

TA 1

TA 3

TA 2QF 2

QF 3

Аналого-цифровое преобразованиеАналого-цифровое преобразование

[I2ср(σ

2к.з. - σ

2раб) + 2 Iср(M(Iк.з.)·σ

2раб + M(Iраб)·σ

2к.з.)]

[2·(M(Iк.з.)·σ2

раб + M(Iраб)·σ2

к.з.)]

Согласующий трансформатор

Делительный резистор НЧ-фильтр Усилитель Мультиплексор

MUX

Цифровой фильтр

АЦП

A/D

Исполнительный органИсполнительный орган

Выходные реле

Цифровая обработка сигнала

Цифровая обработка сигнала

МП терминал РЗ–1

МП терминал РЗ–1

Memory

СС

Логический органЛогический орган

Дискретный

сигнал

[σ2к.з. - σ

2раб ]

Квадратор X

X ∑

Алгоритм вычисленияАлгоритм вычисления

Цифровое детектирование

| I |

Ia

Ib

Ic

Информация М(I), σ

по результатам моделирования

Рисунок 24 – Структурная схема релейной защиты

- 25 -

- 26 -

Выводы

Использование статистической информации в сочетании со стохастическими

алгоритмами принятия решения обеспечивают высокую чувствительность

токовых защит дальнего резервирования в условиях изменяющихся параметрах

сети и динамических режимах.

Разработанный алгоритм цифровой релейной защиты может быть внедрен в

существующие терминалы микропроцессорных защит и не требует их

конструктивных изменений и дополнительных финансовых затрат.

Предложенный принцип использования статистической информации может

быть распространен на другие виды защит с целью повышения их

эффективности.

ОАО «ФСК ЕЭС» - Нижегородское ПМЭС

603950 г. Нижний Новгород, ул. Шлиссельбургская, 29(831) [email protected]

НГТУ им. Р. Е. Алексеева

603015 г. Нижний Новгород, ул. Минина, [email protected]

Спасибо за внимание!

- 27 -

Documents

д.т.н. Александр Леонидович Куликов аспирант Александр Николаевич Клюкин