Usmjerena poprečna diferencijalna zaštita vodova bez naponskih

INFOTEH-JAHORINA Vol. 13, March 2014.

- 202 -

Usmjerena poprečna diferencijalna zaštita vodova bez naponskih ulaza

Miodrag Forcan Elektrotehnički fakultet Istočno Sarajevo, BiH

[email protected]

Zoran Stojanović Elektrotehnički fakultet

Beograd, Srbija [email protected]

Sadržaj— U radu je razmatrana usmjerena poprečna diferencijalna zaštita dvostrukih vodova. Analizirana su dva algoritma za diferencijalne releje bez naponskih ulaza. Prvi algoritam zasnovan je na priraštaju srednjih vrijednosti struja vodova, dok je drugi algoritam baziran na priraštaju trenutnih vrijednosti struja vodova. Algoritmi su analizirani kroz simulacije u realnom vremenu koje su realizovane korišćenjem softverskog paketa Matlab/Simulink. Napravljeni simulator odlikuje se univerzalnošću, tj. može se upotrebljavati za modelovanje velikog broja različitih tipova relejnih zaštita. Cilj rada je verifikacija tačnosti simulatora na konkretnom primjeru pomenutih algoritama. Kroz rad su pokazane prednosti i ograničenja pomenutih algoritama. Algoritam na bazi priraštaja trenutnih vrijednosti struja je pokazao veću selektivnost u određenim situacijama.

Ključne riječi- digitalni relej; dvostruki vod; poprečna diferencijalna zaštita; usmjereni relej; strujni diferencijalni relej;

I. UVOD Usmjereni relej pojavljuje se u sklopu većeg broja zaštita

(prekostrujnih, diferencijalnih, distantnih) kao dodatna funkcija koja obezbjeđuje selektivnost zaštite. Usmjereni relej određuje smjer struje u odnosu na referentnu električnu veličinu, koja može biti napon ili neka druga struja. Kod naizmjeničnih veličina smjer struje u odnosu na referentnu veličinu određen je faznim pomjerajem između posmatrane struje i referentne veličine. Fazni pomjeraji između električnih veličina, za potrebe digitalnih releja, mogu se odrediti različitim metodama. Kod prenosnih vodova visokog i ekstremno visokog napona primjenu nalaze metode na bazi priraštaja električnih veličina. Pomenute metode odlikuje velika brzina odziva te se otuda i nazivaju ultrabrzim usmjerenim relejima. U specifičnim situacijama za određivanje smjera struje moguće je kao referentne veličine koristiti neke druge struje umjesto napona.[1] U prenosnom sistemu, jednu od karakterističnih situacija čine paralelno vođeni vodovi na istim ili zasebnim stubovima. Kod usmjerene poprečne diferencijalne zaštite dvostrukih vodova, ukoliko svaki vod ima sopstvene prekidače, potrebno je selektivno isključiti vod sa kvarom. Na ovaj način je omogućen nastavak prenosa snage putem voda bez kvara, što je značajno za stabilnost elektroenergetskog sistema. Klasična usmjerena diferencijalna zaštita zahtjeva naponske ulaze. Međutim, ovu zaštitu moguće je realizovati korišćenjem samo strujnih ulaza i tako izbjeći neke od nedostataka klasične usmjerene poprečne diferencijalne zaštite.

II. SIMULATOR RELEJNE ZAŠTITE U REALNOM VREMENU Za potrebe modelovanja rada digitalne relejne zaštite,

realizovan je simulator upotrebom softverskog paketa Matlab/Simulink. Naredna slika prikazuje implementaciju simulatora na konkretnom primjeru poprečne diferencijalne zaštite dvostrukih vodova sa strane jednih sabirnica.

Slika 1. Simulator poprečne diferencijalne zaštite dvostrukih vodova.

Softverski paket Matlab/Simulink omogućava modelovanje električnih šema sa mogućnošću mjerenja električnih signala u realnom vremenu. Na slici 1 prikazan je dio modela sistema dvostrukih vodova sa strane jednih sabirnica. Zaštitni algoritam releja implementira se u šemu putem bloka “MATLAB function”. Broj ulaznih i izlaznih parametara bloka nije ograničen, te se na ovaj način zaštitnom releju može dovesti proizvoljan broj mjernih signala. U konkretnom slučaju poprečne diferencijalne zaštite sa slike 1, ulazni mjerni signali su struje paralelnih vodova. Korak proračuna modelovane šeme u Simulink-u podešen je na 0.01 ms, dok je perioda odabiranja zaštitnog releja podešena na 1 ms. Pošto je perioda odabiranja za dva reda veličine veća od koraka proračuna parametara šeme u Simulink-u, mjerni signali se sa aspekta relejne zaštite mogu smatrati kontinualnim. Isprogramirana funkcija digitalnog releja se čuva kao m-datoteka i ciklično poziva od strane bloka “MATLAB function” iz Simulnk-a. Broj izvršavanja funkcijske datoteke zavisi od podešene periode odabiranja. Ovakva realizacija simulatora primjenjiva je na različite tipove relejnih zaštita, čime je ostvarena univerzalnost upotrebe.

- 203 -

III. MODELOVANJE PRENOSNE MREŽE SA DVOSTRUKIM VODOVIMA

Slika 2 prikazuje model prenosne mreže sa dvostrukim vodovima. Posmatrani prenosni sistem je dvostrano napajan.

Slika 2. Model dvostrano napajanog prenosnog sistema sa dvostrukim vodovima.

Naznačeni napon modelovane mreže na kojoj su vršeni testovi iznosi 400 kV. Podešena frekvencija sistema je 50 Hz. Parametri mreže a su: Va=400 kV, Ra=1 Ω i La=64 mH. Parametri mreže b su: Vb=395 kV, Rb=0.5 Ω i Lb=32 mH. Vodovi su modelovani koncentrisanim parametrima, što je korektno za dužine ispod 50 km. Dužine dvostrukih prenosnih vodova u praksi su mnogo veće, pa je u ovom slučaju najtačniji model voda sa raspodjeljenim parametrima. Međutim, sa aspekta analize rada usmjerene poprečne diferencijalne zaštite, model voda sa koncentrisanim parametrima pruža zadovoljavajuću tačnost i jednostavnost. Takođe, zbog jednostavnosti, zanemarene su dozemne i međusobne kapacitivnosti vodova. Usvojeno je da je dužina jedne sekcije voda 50 km. Parametri svih sekcija vodova su podešeni na vrijednosti: Rva=Rv1=Rv2=Rvb=3.3 Ω, Lva=Lv1=Lv2=Lvb=47 mH. Struje na početku i kraju prvog voda su označene respektivno sa: iv11(t) i iv12(t), dok su oznake za struje na početku i kraju drugog voda: iv21(t) i iv22(t). Svaki vod posjeduje sopstvene prekidače. Na slici 2, crvenom bojom su označene pozicije kvarova koji će biti inicirani zbog potreba testiranja algoritama usmjerene poprečne diferencijalne zaštite.

IV. ALGORITMI ZA USMJERENU POPREČNU DIFERENCIJALNU ZAŠTITU BEZ NAPONSKIH ULAZA

Pažnju naučne javnosti izazvala su dva algoritma za usmjerenu poprečnu diferencijalnu zaštitu vodova bez naponskih signala, koja su se pojavila u naučnim radovima devedesetih godina.

A. Algoritam na bazi priraštaja srednjih vrijednosti struja vodova Ovaj algoritam zasniva se na priraštaju srednjih vrijednosti

struja vodova. Definišu se računski signali S1 i S2 kao priraštaji apsolutnih trenutnih vrijednosti struja vodova:

, (1)

, (2)

gdje su:

i1(k) – trenutna vrijednost struje voda 1,

i2(k) – trenutna vrijednost struje voda 2,

k – tekući odbirak strujnog signala,

n – broj odbiraka u periodi strujnog signala.

Na osnovu proračunatih signala formira se signal razlike priraštaja:

. (3)

Razlika priraštaja srednjih vrijednosti struja vodova određuje poziciju kvara. Kvar se nalazi na vodu 1 ukoliko je ispunjen uslov:

. (4)

Lokacija kvara je na vodu 2, ako je ispunjen uslov:

. (5)

Ukoliko je kvar van štićene dionice, tada vrijedi:

. (6)

Vrijednost parametara Spod zavisi od konkretnog sistema dvostrukih vodova koji se modeluje. [2]

B. Testiranje algoritma na bazi priraštaja srednjih vrijednosti struja vodova

Korišćenjem modela sa slike 2, koji je realizovan softverskim paketom Matlab/Simulink, izvršeno je testiranje osjetljivosti i selektivnosti algoritma na bazi priraštaja srednjih vrijednosti struja vodova.

1) Dvostrano napajan sistem a) Kvar 1

Kvar se nalazi van štićene zone, tj. na sabirnicama sa strane mreže b. Trenutak kvara je podešen na 0.1 s. Ovo podešenje je važeće i za sve ostale testove. Naredna slika prikazuje struje paralelnih vodova sa strane sabirnica a:

Slika 3. Struje paralelnih vodova sa strane sabirnica a pri kvaru 1.

Pošto su paralelni vodovi modelovani identičnim koncentrisanim parametrima njihove struje su jednake pri kvaru van štićene dionice. Testirani algoritam za usmjerenu poprečnu diferencijalnu zaštitu je neosjetljiv pri kvaru 1. Slika 4 prikazuje vrijednost indikatora kvara S12 za poprečne diferencijalne zaštite sa strane sabirnica a i b. Oba indikatora su jednaka nuli.

- 204 -

Slika 4. Vrijednost indikatora kvara S12 poprečnih diferencijalnih zaštita sa strane sabirnica a i b pri kvaru 1.

b) Kvar 2 Pozicija kvara je na vodu 1. Na slikama 5 i 6 su prikazane

struje vodova sa strane sabirnica a, dok slika 7 prikazuje promjenu indikatora kvara.

Slika 5. Struja voda 1 sa strane sabirnica a pri kvaru 2.


Slika 7. Vrijednost indikatora kvara pop. dif. zaštita pri kvaru 2.

Sa slike 5 se vidi da zaštita selektivno isključuje vod sa kvarom (vod 1). Indikatori kvara, prikazani na slici 7, nakon kvara dobijaju pozitivne vrijednosti. Prag reagovanja je jednostavno postaviti, za dati sistem on je podešen na 10 kA. Opseg vrijednosti za prag reagovanja je veoma širok, zbog velike razlike između vrijednosti indikatora kvara S12, prije i nakon kvara.

c) Kvar 3 Pozicija kvara je na vodu 2. Slike 8 i 9 prikazuju struje

vodova sa strane sabirnica a.



Na prethodnim graficima su prikazane struje paralelnih vodova sa strane sabirnica a. Vremenska promjena struja sa strane sabirnica b je skoro identična, sa tim da struja voda sa kvarom, za vrijeme kvara mijenja smjer. Obje poprečne diferencijalne zaštite, sa strana sabirnica a i b selektivno isključuju vod sa kvarom, što se može zaključiti sa naredne slike:


- 205 -

2) Jednostrano napajan sistem sa potrošnjom Potrošnja je modelovana aktivnom otpornošću vrijednosti

100 Ω. Razmatrane su iste pozicije kvara, prikazane na slici 2. U nastavku će biti prikazane promjene indikatora kvara. Prikaz struja vodova će biti izostavljen.

a) Kvar 1 Sljedeća slika prikazuje vrijednosti pokazatelja kvara

poprečnih diferencijalnih zaštita pri kvaru van štićene zone:


b) Kvar 2 Na slici 12 prikazana je promjena pokazatelja kvara

poprečnih diferencijalnih zaštita pri kvaru na vodu 1.


c) Kvar 3 Slika 13 prikazuje vrijednosti pokazatelja kvara poprečnih

diferencijalnih zaštita pri kvaru na vodu 2.


Sa slika 12 i 13 se vidi da poprečna diferencijalna zaštita sa strane sabirnica b nije osjetljiva kod sistema sa jednostranim napajanjem u slučaju postojanja potrošnje, za usvojeni prag reagovanja. Postavljanjem niže vrijednosti praga reagovanja, postigla bi se osjetljivost zaštite, ali ne i selektivnost.

3) Jednostrano napajan sistem bez potrošnje Razmatrani algoritam je testiran pri kvarovima 1, 2 i 3, u

slučaju kada na sabirnicama b nema potrošnje. U ovom slučaju, algoritam je iskazao neosjetljivost, čak i pri postavljanju mnogo niže vrijednosti praga reagovanja.

C. Algoritam na bazi priraštaja trenutnih vrijednosti struja vodova Drugi algoritam se bazira na ideji da se umjesto priraštaja

srednjih vrijednosti struja vodova koriste priraštaji trenutnih vrijednosti struja vodova. Dakle, umjesto razlika apsolutnih vrijednosti odbiraka struja, koriste se razlike stvarnih vrijednosti. Priraštaji su definisani narednim relacijama:

, (7)

. (8)

Pokazatelj kvara računa se prema izrazu:

. (9)

Iz prethodnog izraza je uočljivo da se pri proračunu pokazatelja kvara koristi razlika apsolutnih vrijednosti priraštaja, a ne razlika priraštaja apsolutnih vrijednosti. Vrijednost pokazatelja kvara određuje poziciju kvara. Ukoliko je kvar na vodu 1 vrijedi naredna relacija:

. (10)

Za kvarove na vodu 2 važi uslov:

. (11)

Ukoliko je kvar van štićene dionice onda vrijedi relacija (12).

. (12)

Gdje je Dpod podešeni prag reagovanja.[3]

D. Testiranje algoritma na bazi priraštaja trenutnih vrijednosti struja vodova Procedura testiranja je ista kao i za prvi algoritam.

1) Dvostrano napajan sistem a) Kvar 1

Radi se o kvaru van štićene zone, tj. van dionice dvostrukih vodova. Slika 14 prikazuje promjenu pokazatelja kvara. Analizom pomenutog grafika može se zaključiti da je usmjerena poprečna diferencijalna zaštita neosjetljiva i sa strana sabirnica a i sa strana sabirnica b, koje su prikazane na slici 2. Kod razmatranja kvara 1 je izostavljen prikaz vremenske promjene struja vodova. Zbog postojanja eksternog kvara struje vodova su u ovom slučaju povišene i neophodna je aktivnost relejne zaštite, ali ovi kvarovi nisu u zaštitnoj zoni usmjerene poprečne diferencijalne zaštite te njihovo otklanjanje nije predmet ovog razmatranja.

- 206 -


b) Kvar 2 Slike 15 i 16 prikazuju vremenske promjene struja

paralelnih vodova sa strana sabirnica b pri kvaru 2 na vodu 1, dok je vremenska promjena pokazatelja kvara prikazana na slici 17.

Slika 15. Struja voda 1 sa strane sabirnica b pri kvaru 2.



Promjena pokazatelja kvara sa slike 17 pokazuje osjetljivost i selektivnost zaštite. Prag reagovanja usmjerene poprečne diferencijalne zaštite je postavljen na istu vrijednost kao i kod testiranja prvog algoritma.

c) Kvar 3 Slike 18 i 19 prikazuju vremenske promjene struja

paralelnih vodova sa strana sabirnica b pri kvaru 3 na vodu 2, dok je vremenska promjena pokazatelja kvara prikazana na slici 20.




Slika 20 pokazuje da je poprečna diferencijalna zaštita osjetljiva i selektivna pri kvaru 3.

2) Jednostrano napajan sistem sa potrošnjom Potrošnja je modelovana na isti način kao i kod testiranja

prvog algoritma. Slike 21, 22 i 23 respektivno prikazuju vremenske promjene pokazatelja kvara za kvarove 1, 2 i 3. Za razliku od prvog algoritma, algoritam na bazi priraštaja trenutnih vrijednosti struja vodova pokazuje osjetljivost i selektivnost.

- 207 -

a) Kvar 1 Pozicija kvara je van štićene zone.


b) Kvar 2 Pozicija kvara je na vodu 1.


c) Kvar 3 Pozicija kvara je na vodu 2.


Važno je istaći da se pri gornjim testovima može odabrati i manji prag reagovanja. Pokazatelj kvara sa strane sabirnica b je kritičniji u pogledu osjetljivosti. Što je potrošnja manja, osjetljivost pomenutog pokazatelja je manja, zbog manje razlike struja paralelnih vodova.

3) Jednostrano napajan sistem bez potrošnje Kao i prvi testirani algoritam, drugi algoritam je neosjetljiv

u slučaju jednostrano napajanog sistema bez potrošnje. Usmjerena poprečna diferencijalna zaštita sa strane sabirnica b neće reagovati.

V. ZAKLJUČAK U radu je predstavljen simulator relejne zaštite u realnom

vremenu. Aplikacija se odlikuje univerzalnošću, odnosno moguće je modelovanje različitih tipova relejnih zaštita. Analizirana je primjena simulatora na usmjerenu poprečnu diferencijalnu zaštitu vodova bez naponskih ulaza. Testirana su dva poznata algoritma: algoritam na bazi priraštaja srednjih vrijednosti struja paralelnih vodova i algoritam na bazi priraštaja trenutnih vrijednosti struja paralelnih vodova. Selektivnost i osjetljivost je ostvarena u slučaju dvostranog napajanja, kod oba algoritma. U slučaju jednostranog napajanja sa potrošnjom, samo drugi algoritam se pokazao kao selektivan i osjetljiv. Pri jednostranom napajanju bez potrošnje, oba algoritma su pala na testu osjetljivosti. Simulator je verifikovao sve teorijske zaključke o osobinama razmatranih algoritama.

LITERATURA [1] Z. Stojanović, M. Đurić, “An algorithm for directional earth-fault relay

with no voltage inputs”, Electric Power Systems Research, November 2012.

[2] M. I. Gilany, O. P. Malik, G. S. Hope, “A digital protection technique for parallel transmission lines using a single relay at each end”, Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 1, January 1992.

[3] M. M. Eissa, O. P. Malik, “A new digital directional transverse differential current protection technique”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No.3, July 1996.

[4] M. Đurić, V. Terzija, Z. Radojević, Ž. Đurišić, Z. Stojanović, S. Zubić, V. Bajić, “Algoritmi za digitalne relejne zaštite”, ETA, Beograd, 2012.

[5] M. Đurić, “Relejna zaštita”, Beopres, Beograd, 2008.

ABSTRACT In this paper directional transverse differential protection of

double lines is considered. Two different algorithms for differential relays with no voltage inputs are analysed. The first algorithm is based on increments of mean values of double-line currents, while the second is based on increments of instantaneous values of double-line currents. The algorithms are analysed through the real-time simulator accomplished using software tool Matlab/Simulink. Advantages and limitations of algorithms are presented in the paper. The algorithm based on increments of instantaneous values of currents has shown better selectivity in certain circumstances.

DIRECTIONAL TRANSVERSE DIFFERENTIAL CURRENT PROTECTION WITH NO VOLTAGE

INPUTS

Miodrag Forcan, Zoran Stojanović

Documents

Usmjerena poprečna diferencijalna zaštita vodova bez naponskih