ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ВЫСОКОАВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПОДСТАНЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ ТОКА

АННОТАЦИЯ

В рамках выполнения научно-исследовательской работы была сформирована имитационная модель подстанции с применением современных цифровых датчиков тока. Образец имитирует работу комплекса централизованной цифровой защиты, установленной на реальном объекте энергетики. В работе исследуется эффективность централизованной защиты, способной компенсировать выход из строя датчика тока, путем расчета тока на других присоединениях. Проведенные в лабораторных условиях испытания работы подстанции в различных режимах, подтвердили способность организации функции релейной защиты и автоматики в соответствии с заданными стандартами

ABSTRACT

During the research work, a simulation of a substation model was created using modern digital current sensors. The sample simulates the operation of a centralized digital protection complex installed at the first energy facility. The work examines the effectiveness of centralized protection capable of compensating the output current of a current sensor by calculating the current at other voltages. Tests of substation operation in various modes carried out in laboratory conditions confirmed the possibility of organizing relay protection and automation functions in accordance with specified standards.

Ключевые слова: автоматика, система обмена данных, цифровая обработка сигналов, резервирование, моделирование.

Keywords: automation, data exchange system, digital signal processing, redundancy, modeling.

Введение

В релейной защите последние несколько десятков лет происходят значительные изменения, что обуславливают широким применением цифрового (микропроцессорного) оборудования. Данное обусловлено, прежде всего, существенными достоинствами релейной защиты при использовании микропроцессорной основы по сравнению с электромеханической и электронной релейной защитой. Значительные преимущества кроются в таких аспектах, как:

• технологичности производства;
• повышается аппаратная надежность, уменьшается масса и размер устройств, за счет уменьшения числа используемых элементов и соединительных элементов (микропроцессорное устройство способно выполнять различные функции защиты)
• удобство обслуживания и соответствующее сокращение обслуживающего персонала;
• улучшается качество защитных функций, а именно: надежность, чувствительность, селективность;
• появление новых возможностей по управлению защитой и передачи от нее данных на отдаленные районы управления.

Тем не менее, какими бы совершенными не были микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики (РЗиА), возможны случаи выхода из строя вследствие потери питания, ошибочного вывода из работы, потери сигнала и т.п. Непосредственно в такие моменты линии электропередач (ЛЭП) находятся в повышенной опасности. При возникновении аварийных случаев на линии, которое остается не зафиксированным вышедшим из строя устройством, возможны самые неблагоприятные сценарии. В таких случаях самым обоснованным решением является применение устройства централизованной цифровой защиты, выполняющий функции глобального мониторинга присоединенных ЛЭП. Кроме того, при заложенной в нее логике возможно бесшовное дублирование вышедших из строя устройств и соответственно обеспечение защиты в аварийных ситуациях.

Основной текст

Основой работы стенда является смоделированная электрическая сеть (рис.1), которая включает в себя терминал централизованной цифровой защиты, источник питания и 2 параллельно соединенных секций шин электропередач. На первой секции шин расположены 2 отходящие линии, на второй одна. На каждой из отходящих линий действует собственный цифровой датчик тока (ЦДТ), выполняющий функции мониторинга действующих значений токов в линии. Между первой и второй секциями осуществляет свою функцию секционный переключатель.

Рисунок 1. Структурная схема моделируемой ЛЭП

В моделируемой цепи действует трехфазное напряжение. При нормальном режиме работы, а также в режиме короткого замыкания (КЗ), производится моделирование на частоте 50 Гц в режиме реального времени.

Цифровые датчики тока выполняют роль сбора аналоговых величин токов в линии и передачу в цифровом виде значений токов на микропроцессорное устройство централизованной цифровой защиты.

Техническая сущность проекта

Периферийные устройства представлены цифровыми датчиками тока. Модули встроены в схему управления выключателем (SA) и, в необходимом случае, воздействуют непосредственно на электромагниты выключателя. Также, управляющие сигналы передаются от устройства централизованной цифровой защиты непосредственно через шину процесса.

В случае возникновения в системе энергоснабжения аварийной ситуации, предполагающей выход из строя устройства цифрового датчика и при возникновении КЗ на линии, терминал ЦЦЗ в автоматическом режиме должен продублировать вышедшее из строя устройство, путем расчета токов в поврежденной линии из исправных присоединений.

Рассчитать ток становиться возможным по 2 правилу Кирхгофа. Так как контур тока при коротком замыкании остается замкнутым, то расчет сводится к суммированию токов трех исправных присоединений. Ток, рассчитываемый в устройстве ЦЦЗ по действующим значениям, с погрешностью в 200 микросекунд (0.0002 секунды) может использоваться для защиты поврежденной линии с вышедшим из строя датчиком. Для достижения такой точности вычислений применялся протокол синхронизация времени PTP. В качестве сервера времени выступает микропроцессорный терминал релейной защиты и автоматики.

Экспериментальная часть проекта

Восстановление сигнала – режим при котором все ее элементы, кроме ЦДТ отходящей линии работают в соответствии с проектной мощностью и режимом нагрузки, без каких-либо отклонений от нормы. В нормальном режиме работы электрическая сеть должна обеспечивать надежное электроснабжение для всех потребителей без каких-либо перебоев или сбоев. Рассматривается случай возникновения аварийной ситуаций, такой как отключение датчика тока при котором показания токов и напряжений перестают поступать на терминал ЦЦЗ напрямую. Система автоматически переключается на режим восстановления сигнала, чтобы обеспечить непрерывность и безаварийность электроснабжения

Ниже представлена осциллограмма токов до и после отключения ЦДТ (рис.2). Значения токов до 1.642 сек соответствуют аналоговым значениям в защищаемой линии (сигналы Ia_яч1, Ib_яч1, Ic_яч1). В момент времени 1.642 сек происходит отключение, вследствие чего сигналы токов перестают поступать напрямую в терминал ЦЦЗ. Терминал ЦЦЗ в ту же секунду начинает восстанавливать значения токов по показаниям с других исправных в сети ЦДТ (сигналы Ia_диф, Ib_диф, Ic_диф). Расчетный ток возможно использовать как для мониторинга в реальном времени, так и для запуска алгоритмов релейной защиты.

Рисунок 2. Осциллограмма токов до и после аварийного отключения ЦДТ

В более сложном случае предполагается, что в системе энергоснабжения возникает аварийная ситуация (рис.3). В условно обозначенном месте (КЗ) возникает короткое замыкание. Также ЦДТ отходящей линии выведен из строя и не выполняет возложенные на него функции. В момент возрастания значения тока цифровой датчик не будет в состоянии засечь превышение тока и управляющим воздействием не отключит выключатель SA2, что в свою очередь не предотвратит протекание тока по поврежденной линии электропередач. Непосредственно в такой момент терминал ЦЦЗ в автоматическом режиме переключается на положение восстановления сигнала вышедшего из строя датчика тока, путем расчета токов из исправных присоединений по 2 правилу Кирхгофа. Если значения токов равны или превосходят заложенные в логике устройства уставочных значений, происходит срабатывание алгоритмов релейной защиты и формирование сигнала воздействия на выключатель SA2 поврежденной линии.

Рисунок 3. Структурная схема подстанции при коротком замыкании в линии при неисправном ЦДТ

Ниже представлены осциллограммы (рис.4,5), на которых отображены отсутствующие показания токов с выведенного цифрового датчика тока (сигналы Ia_яч1, Ib_яч1, Ic_яч1), расчетные значения токов (сигналы Iaдиф, Ibдиф, Icдиф) в нормальном режиме, а также в момент короткого замыкания и после. С момента записи осциллограммы до метки времени 2.180 сек расчетный ток соответствует нормальному режиму, затем происходит короткое замыкание и резкое возрастание значений токов. В момент превышения порогового значения (2.202 сек), выставленного в уставках терминала ЦЦЗ, происходит пуск работы алгоритмов релейной защиты (сигнал Пуск МТЗ 1ст).

Рисунок 4. Осциллограмма короткого замыкании в линии при неисправном ЦДТ

Впоследствии, с предустановленной выдержкой времени, формируется управляющий сигнал на отключение линии (сигнал Сраб. МТЗ 1ст), что на осциллограмме отображается нулевым значением тока после срабатывания защиты.

Рисунок 5. Осциллограмма срабатывания защиты при коротком замыкании в линии при неисправном ЦДТ

Заключние

Электрические системы неизбежно подвержены повреждениям и ненормальным режимам работы, существует вероятность выхода из строя микропроцессорных устройств, что может привести к повышенной опасности для электрических линий. Для обеспечения надежной защиты в таких случаях предлагается использовать централизованные цифровые защиты. Использование ЦДТ в составе ЦЦЗ в релейной защите даёт возможность вычислить ток, в случае выхода из строя датчика, была доказана способность организации функции релейной защиты и автоматики в соответствии с заданными стандартами качества, надёжности, быстродействия и селективности.

Список литературы:

1. Булычев А.В., Наволочный А.А. Релейная защита в распределительных электрических сетях. – М.: ЭНАС, 2011. – 208 с.
2. Булычев А.В. и др. Цифровая система релейной защиты в распределительных электрических сетях // Электротехника, №8, 2020. с. 31-35.
3. Патент RU №194011 «Цифровое устройство защиты для электрической подстанции»/ Булычев А.В. и др. Бюл. №33 25.11.2019.
4. Правила устройства электроустановок / М-во энергетики РФ. – 7-е изд. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. – 640 с.
5. Чернобровов Н.В. Релейная защита.  – М.: Энергия, 1974. – 680 с.