Адаптация параметров релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки систем промышленного электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Рупчев, Илья Олегович

• Рупчев, Илья Олегович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рупчев, Илья Олегович

ВВЕДЕНИЕ

1. УСТОЙЧИВОСТЬ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ПРОВАЛАХ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. Провалы напряжения в узлах электрической нагрузки промышленных комплексов: причины, последствия и средства защиты.

1.2. Методы и программные средства расчета параметров границ устойчивости узлов электрической нагрузки

1.3. Зависимость параметров устойчивости узлов от состава нагрузки и режимов источников электроэнергии

1.4. Задачи исследования

2. СПОСОБ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ АДАПТАЦИИ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ ОТ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ НАГРУЗКИ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Способ и выбор методов адаптации релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки

2.2. Математическая модель для адаптации защиты минимального напряжения к режиму источника питания методом нечеткой логики

2.3. Математическая модель для адаптации защиты минимального напряжения к режиму источника питания методом искусственных нейронных сетей

2.4. Математическая модель для адаптации защиты минимального напряжения к режиму нагрузки (при симметричных и несимметричных провалах напряжения)

2.5. Итоги исследований

3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДАПТАЦИИ ЗАЩИТ МИНИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

3.1. Программа адаптации защиты минимального напряжения к режиму источника питания методом нечеткой логики

3.2. Программа адаптации защиты минимального напряжения к 85 режимам источника и нагрузки методом искусственных нейронных сетей

3.3. Методика оценки эффективности адаптации защит и про- 92 грамма имитации кратковременных возмущений электроснабжения

3.4. Итоги исследований и выводы 102 4. РЕАЛИЗАЦИЯ АДАПТАЦИИ ЗАЩИТ МИНИМАЛЬНОГО 104 НАПРЯЖЕНИЯ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ В СИСТЕМЕ SCADA

4.1. Анализ возможностей и структура адаптации функции защи- 104 ты минимального напряжения блока управления SEP AM 2000 в системе SCADA

4.2. Интерфейс и протокол обмена информацией для связи стан- 107 ции управления с блоком SEP AM

4.3. Программирование связи станции управления с блоком 117 SEP AM

4.4. Итоги реализации и выводы 123 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125 СПИСОК^ ЛИТЕРАТУРЫ 127 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Исходные данные по системе электроснабже- 133 ния Астраханского ГПЗ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптация параметров релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки систем промышленного электроснабжения»

Актуальность темы. Промышленные комплексы с непрерывными технологическими процессами по надежности электроснабжения относятся к первой категории, поэтому для таких предприятий предусмотрено наличие нескольких взаимно резервируемых источников питания. Одновременные длительные отключения источников питания маловероятны. Практика эксплуатации подтверждает, что недостаточная надежность электроснабжения крупных многомашинных промышленных комплексов с непрерывными технологическими процессами обусловлена не столько длительными, сколько кратковременными нарушениями электроснабжения, проявляющихся в узлах нагрузки в виде глубоких провалов напряжения длительностью доли секунды. Такие провалы напряжения, обусловленные короткими замыканиями в протяженных внутренних и особенно внешних электрических сетях предприятия, могут приводить к потере устойчивости узлов с электродвигательной нагрузкой, сопровождаются массовыми отключениями электрооборудования. Особенно остро проблема устойчивости узлов нагрузки стоит для систем электроснабжения крупных нефтегазовых комплексов (нефте- газоперерабатывающие заводы, электроприводные компрессорные станции магистральных газопроводов), которые характеризуются большой установленной мощностью электроприводов и непрерывными технологическими процессами, что обусловливает их чувствительность к кратковременным нарушениям электроснабжения. Массовые отключения электрооборудования нефтегазовых комплексов приводят к большим экономическим потерям.

При критических, приводящих к потере устойчивости, провалах напряжения предусматривается отключение узлов электрической нагрузки с последующим повторным групповым пуском электроприводов. Существующие методики и программное обеспечение расчета переходных процессов в системах электроснабжения с электродвигательной нагрузкой позволяют определить параметры устойчивости, которые могут быть использованы для выбора параметров релейных защит от потери питания узлов нагрузки.

Вместе с тем, расчетные параметры устойчивости узлов нагрузки определяются исходя из принятых исходных условий. Как правило, расчеты выполняются для базового варианта, ориентированного на «худший случай», когда к узлу подключена максимально возможная нагрузка, а режим источника питания является минимальным. В процессе работы состав нагрузки и режим источника меняется. Определение параметров устойчивости и выбор параметров защит в расчете на «худший случай» приводит к неполному использованию запаса устойчивости узла и к необоснованным массовым отключениям электрооборудования. По предварительным оценкам доля необоснованных отключений узлов нагрузки может достигать 30 - 40%. Для того, чтобы повысить использование запаса устойчивости требуется адаптация параметров релейных защит к реальному режиму электротехнической системы (ЭТС), отслеживаемому в процессе ее работы.

Современные цифровые релейные защиты позволяют программно изменять их параметры в процессе эксплуатации, что обеспечивает техническую возможность адаптации параметров защит к реальному состоянию ЭТС. Для теоретического решения задачи перспективными является методы искусственного интеллекта, позволяющие оценивать состояние сложных объектов с нелинейными характеристиками в условиях ограниченности контролируемой информации и времени на выработку решений. Таким образом, сегодняшний уровень развития техники и математических методов дает практическую и теоретическую возможности для решения указанной задачи.

Разработка методов и средств адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости к изменению режимов работы электротехнических систем промышленных комплексов с непрерывными технологическими процессами представляется достаточно актуальной научной и практической задачей для ряда отраслей промышленности, в первую очередь газовой и нефтяной. Актуальность проблематики диссертации подтверждается получением гранта для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов вузов Минобразования России (А02-3.14-197).

Цель и задачи. Целью диссертационных исследований является разработка способа и средств адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов промышленной электрической нагрузки для более полного использования запаса устойчивости электротехнических систем и повышения надежности их работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать способ адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника и состава электроприемников.

2. Разработать математическую модель адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника питания.

3. Разработать математическую модель адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению состава электроприемников.

4. Разработать алгоритмы и программы адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника питания и состава электроприемников.

5. Выполнить оценку эффективности адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки при провалах напряжения в системах промышленного электроснабжения. Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились электротехнические системы промышленных комплексов газовой отрасли. Исследования выполнены с использованием теории устойчивости электротехнических систем, методов математического моделирования электротехнических систем, методов искусственного интеллекта, методов имитационного моделирования, положений теории вероятностей и математической статистики. Для разработки программного обеспечения использовалась объектно-ориентированная интерактивная среда Delphi.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Способ адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника и состава электроприемников ЭТС.

2. Математические модели и алгоритмы адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника питания и состава электроприемников в процессе работы ЭТС.

3. Программные средства адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника и состава электроприемников в процессе работы ЭТС.

4. Методика и результаты оценки эффективности адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки при провалах напряжения в системах промышленного электроснабжения.

Научная новизна результатов исследований.

1. Предложен способ адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки к изменению режима источника питания и состава электроприемников, заключающийся в определении параметров устойчивости электротехнических систем по электрическим параметрам узла, измеряемым в процессе эксплуатации, и использовании установленных параметров устойчивости для автоматической настройки уставок микропроцессорных релейных защит.

2. На базе метода нечеткой логики разработана математическая модель и алгоритмы адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника питания. Результаты исследования модели показали возможность ее использования для идентификации минимального и максимального режимов источников.

3. На базе метода искусственных нейронных сетей разработаны математические модели и алгоритмы адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника и состава электроприемников. Результаты исследования моделей показали возможность ее использования для идентификации минимального, максимального и нормального режимов источника и состава нагрузки.

4. Разработана методика оценки эффективности предложенного способа адаптации параметров релейных защит, учитывающая статистические закономерности параметров провалов напряжения, модели адаптации, виды характеристик и параметры срабатывания защит.

5. Установлено, что наиболее эффективной из исследованных является адаптация на базе моделей искусственных нейронных сетей с использованием микропроцессорных релейных защит с зависимыми характеристиками, позволяющая снизить долю необоснованных отключений узлов нагрузки как при симметричных, так и несимметричных возмущениях с 30 % до 3 %.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением апробированных методов и средств исследования устойчивости промышленных электротехнических систем, корректностью выбора и применения математического аппарата, а так же достаточным информационным обеспечением математического моделирования и подтверждается удовлетворительными результатами экспериментов.

Практическое значение работы заключается в разработке средств адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки, обеспечивающих более полное использование запаса устойчивости электротехнических систем многомашинных промышленных комплексов и повышение надежности их работы, это имеет особенно большое значение для предприятий нефтегазовых отраслей промышленности с непрерывными технологическими процессами. Математические модели и алгоритмы адаптации параметров релейных защит реализованы в виде программных средств, встраиваемых в существующие автоматизированные системы управления электроснабжением. Разработанные программы апробированы в автоматизированной системе управления на базе промышленных блоков цифровых защит Бераш. Установленные закономерности доведены до инженерных рекомендаций по использованию расчетных параметров устойчивости для выбора параметров защит, включенных в отраслевой документ «Методика определения границ устойчивости, показателей надежности электроснабжения и выбора параметров защит узлов электрической нагрузки систем электроснабжения газовых комплексов».- ОАО «Газпром», 2002 г. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина в курсе «Электротехнические установки и комплексы нефтегазовой промышленности» при подготовке инженеров и магистров по направлению - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 4-й и 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2001 и 2003 гг.), на Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2003 г.), на 4-й электронной заочной конференции "Молодежь, студенчество, наука XXI века" (г. Ижевск, 2004 г.), на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000 - 2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 149 печатных страниц, в том числе 132 страниц основного текста и 17 страниц приложений, работа включает 34 рисунка, 37 таблиц и библиографию из 60 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Рупчев, Илья Олегович

Основные результаты использования методики для оценки эффективности адаптации параметров защит от потери устойчивости приведены в таблице 3.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подтверждена возможность более полного использования запаса устойчивости узлов нагрузки систем промышленного электроснабжения, которая может быть осуществлена путем адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости к режимам источника и нагрузки. Установлено, что за счет адаптации параметров защит минимального напряжения возможно уменьшение числа необоснованных отключений узлов нагрузки до 30%.

Предложен способ адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки к изменению режима источника питания и состава электроприемников, заключающийся в определении параметров устойчивости электротехнических систем по электрическим параметрам узла, измеряемым в процессе эксплуатации, и использовании установленных параметров устойчивости для автоматической настройки уставок микропроцессорных релейных защит.

На базе метода нечеткой логики разработана математическая модель и алгоритмы адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника питания. Результаты исследования модели показали возможность ее I использования для идентификации минимального и максимального режимов источников.

На базе метода искусственных нейронных сетей разработаны математические модели и алгоритмы адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению состава электроприемников. Результаты исследования моделей показали возможность ее использования для идентификации минимального, максимального и промежуточных режимов источников и состава электроприемников.

Разработаны программные средства реализации моделей адаптации и автоматического управления изменением уставок микропроцессорных релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки в процессе эксплуатации систем промышленного электроснабжения. Разработана методика и выполнена оценка эффективности предложенного способа адаптации параметров релейных защит от потери устойчивости.

Установлено, что наиболее эффективной из исследованных является адаптация на базе моделей искусственного интеллекта с использованием микропроцессорных релейных защит с зависимыми характеристиками, позволяющая снизить долю необоснованных отключений узлов нагрузки как при симметричных, так и несимметричных возмущениях с 30 % до 3 %.

Проведенные в лабораторных условиях на базе микропроцессорного блока SEP AM 2000 испытания подтвердили работоспособность предложенного способа, алгоритмов и программ адаптации релейных защит от потери устойчивости узлов электрической нагрузки к изменению режима источника и состава электрической нагрузки электротехнических систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рупчев, Илья Олегович, 2004 год

1. Меньшов Б. Г., Ершов М. С., Ярнзов А. Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности: Учебник для вузов. М.: Недра, 2000.

2. Гамазин С. И., Ставцев В. А., Цырук С. А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. -М.: Издательство МЭИ, 1997.

3. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е., Окин A.A. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. — М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Ершов М. С., Егоров А. В., Федоров В. А. Некоторые вопросы повышения устойчивости электроприводов многомашинных комплексов с непрерывными технологическими процессами при возмущениях в системе электроснабжения. Промышленная энергетика, 1992, №7.

5. Меньшов Б. Г., Шкута А. Ф., Федоров В. А., Ершов М. С., Егоров А. В. Астраханский ГПЗ: анализ надежности электроснабжения. — Газовая промышленность, 1990, №4.

6. Корогодский В. И. и др. Релейная защита электродвигателей напряжением свыше 1 кВ. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Барзам А. Б. Системная автоматика. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

8. Блок микропроцессорной релейной защиты БРМЗ. Каталог. - СПб.: НТЦ «Механотроника», 2000.

9. Защита, контроль и управление. Серия Sepam. Каталог. - М.: Schneider Electric, 2000.

10. Правила устройства электроустановок. Издание 6-е переработанное и дополненное с изменениями. — М.: Главгосэнергонадзор России, 1998.

11. Ершов М. С., Егоров А. В., Яценко Д. Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. Промышленная энергетика, 1997, №5.

12. Методика определения границ устойчивости, показателей надежности и выбора параметров защит узлов электрической нагрузки систем электроснабжения газовых комплексов// М. С. Ершов, А. В. Егоров, И. В. Белоусенко и др. М.: ОАО «Газпром», 2001.

13. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Энергия, 1970.

14. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей.-М.: Госэнергоиздат, 1963.

15. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем/ Под ред. Л.А. Жукова. М.: Энергия, 1979.

16. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

17. Гамазин С.И. Устойчивость узлов нагрузки в системах электроснабжения. -М.: МЭИ, 1977.

18. Гамазин С.И. Самозапуск электрических двигателей. М.: МЭИ, 1979.

19. Носов К.Б., Дворак Н.М. Средства и способы самозапуска электродвигателей. — Кемеровское кн. изд-во, 1985.

20. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1985.

21. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Хачатрян Э.А. Устойчивость нагрузки электрических систем. -М.: Энергоиздат, 1981.

22. Строев В.А. Математическое описание электроэнергетических систем в исследованиях статической устойчивости. Электричество, 1984, №10.

23. Воропай Н.И. Упрощенные математические модели динамики электроэнергетических систем. Новосибирск, Наука, 1981.

24. Воропай Н.И. Методы анализа и исследование динамических свойств электроэнергетических систем при существенных структурных изменениях и больших возмущениях. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. -Иркутск, 1989.

25. Андерсон П., Фуад А. Управление энергосистемами и устойчивость/ Пер. с англ. Под ред. Я.Н. Лугинского. М.: Энергия, 1980.

26. Анализ неоднородностей электроэнергетических систем/ О.Н. Войтов, Н.И. Воропай, А.З. Гамм и др. Новосибирск: Наука, СО РАН, 1999.

27. Ершов М.С., Егоров A.B. Вопросы повышения устойчивости электрической нагрузки промышленных предприятий. Промышленная энергетика, 1994, №3.

28. Меньшов Б.Г., Доброжанов В.И., Ершов М.С. Теоретические основы управления электропотреблением промышленных предприятий. М.: Нефть и газ, 1995.

29. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Егоров A.B. Исследование системы электроснабжения, обеспечивающей повышение устойчивости двигательной нагрузки. — Электричество, 1997, №8.

30. Белоусенко И.В., Югай В.Ф. Оценка влияния основных параметров систем промышленного электроснабжения на устойчивость узлов электрической нагрузки. Промышленная энергетика, 2002, №10.

31. Мееров М.В. Синтез систем автоматического управления высокой точности. -М.: Наука, 1967.

32. Саридис Д. Самоорганизующиеся стохастические системы управления/ Пер. под ред. Я.3. Цыпкина. М.: Наука, 1980.

33. Самонастраивающиеся системы: Справочник/ Под ред. П. И. Чинаева. -Киев: Наук, думка, 1968.

34. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами. М.: Высшая школа, 1982.

35. Zadeh L.A. Fuzzy logic and approximate reasoning. Machine Intelligence, 1979, v.9.

36. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения/ Под ред. Р. Ягера. М.: Радио и связь, 1986.

37. Прикладные нечеткие системы/ Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. — М.: Мир, 1993.

38. Мелихов А.Н., Берштейн JI.C., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. — М.: Наука, 1990.

39. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника. М.: Мир, 1992.

40. Бэстенс Д., Ван Ден Берг В., Вуд Д. Нейронные сети/ Пер. с англ. под ред. А.П. Коваленко. -М.: Научное издательство ТВП, 1999.

41. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. -М.: Издательство Физматлит, 2001.

42. Шевелев А. Многослойные перцептроны — алгоритм обратного распространения ошибки. Программист, 2002, № 1.

43. Нао Ying/ Practical design of nonlinear fuzzy controllers for regulating processes with unknown mathematical models automatic, v.30, № 7, July, 1994.

44. Терехов B.M., Владимирова E.C. Некоторые аспекты применения фаззи-управления в электроприводах. Электричество, 1999, № 9.

45. Lu C.N., Wu Н.Т., Vermuri S. Neural Network Based Short Term Load Forecasting// IEEE Transaction on Power Systems, Vol.8, N1, 1993, pp.336-342.

46. Coury D.V., Jorge D.C. Artificial Neural Network Approach to Distance Protection of Transmission Lines// IEEE Transaction on Power Systems, Vol.13, N1, 1998, pp.102-108.

47. Chen Z., Maun J.-C. Artificial Neural Network Approach to Single-Ended Fault Locator for Transmission Lines// IEEE Transaction on Power Systems, Vol.15, N1, 2000. pp.370-375.

48. Адаптация управления системами промышленного электроснабжения на базе автоматизированных средств защиты и методов искусственного интеллекта/ М.С. Ершов и др. Промышленная энергетика, 2000, № 7.

49. Ершов М.С., Рупчев И.О. Модель нечеткой логики управления узлами нагрузки систем электроснабжения промышленных комплексов. — Промышленная энергетика, 2002, №2.

50. Рупчев И. О. Адаптация защит от потери устойчивости узлов электрических нагрузок. — 55-я Юбилейная межвузовская студенческая научная конференция «Нефть и газ 2001». Тезисы докладов. - М.: Нефть и газ, 2001.

51. Рупчев И. О. Адаптация защит от потери устойчивости узлов электрических нагрузок. Сборник трудов студенческого научного общества за 2001 год. — М.: Нефть и газ, 2002.

52. Ершов М.С., Рупчев И.О. Адаптация защит узлов электрических нагрузок к потере питания при несимметричных возмущениях. Промышленная энергетика, 2004, № 1.

53. Защита, контроль и управление. Связь Лгоэ/МосЛэиз. — Каталог — Серия 8ерат / "Шнейдер-Электрик", 1999.

54. Защита, контроль и управление. Функции измерения и защиты — Каталог — Серия 8ерат / "Шнейдер-Электрик", 1999.

55. Защита, контроль и управление. Испытания — Каталог — Серия 8ерат / "Шнейдер-Электрик", 1999.