Совершенствование органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Радионов, Владислав Михайлович

• Радионов, Владислав Михайлович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Радионов, Владислав Михайлович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 НЕОБХОДИМОСТЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОРГАНОВ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

1.1 Токовые направленные защиты электрических сетей.

1.2 Электромеханические реле направления мощности.

1.3 Микроэлектронные органы направления мощности.

1.4 Органы направления-мощности микропроцессорных защит.

1.5 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЬГОРГАНОВ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, УСТОЙЧИВЫХ К ИСКАЖЕНИЯМ ИНФОРМАЦИИ ОТ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА.

2.1 Разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по фазе для микропроцессорной релейной защиты.

2.2 Искажения информации от перегруженных трансформаторов тока и их влияние на работу органов направления мощности.

2.3 Разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по фазе устойчивого к искажениям^информации.

2.4 Экспериментальное исследование работы алгоритма микропроцессорного органа направления мощности, устойчивого к искажениям информации от трансформаторов тока.

2.5 Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОРГАНА НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.

3.1 Фазочувствительный орган релейной защиты на основе трансформаторов с вращающимся*магнитным полем.

3.2 Математическая модель фазочувствительного органа на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в матричной форме.

3.3 Математическая модель органа направления,мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем

3.4 Идентификация параметров однофазных трансформаторов тока и напряжения с вращающимся магнитным полем.

3.5 Анализ влияния точности изготовленияобмоток однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем на характеристики фазочувствительного органа.

3.6 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ1.

4.1 Математическое моделирование существующих принципов работы и алгоритмов работы органов направления мощности.

4.2 Разработка конструкции опытного образца реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

4.3 Реализация и.экспериментальное исследование математической модели органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в среде МАТЪАВ®.

4.4 Исследование работы органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе релейной защиты ЛЭП с двухсторонним питанием.

4.5 Испытания опытного образца реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в лаборатории релейной защиты и автоматики ОАО «КубаньЭнерго»

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей»

Одной из важнейших отраслей экономики является электроэнергетика, без надежного функционирования которой невозможно обеспечить полноценное социально-экономическое развитие общества. С технической точки зрения электроэнергетика есть совокупность электротехнических комплексов, и систем. В1 свою очередь, релейная защита входит в состав таких комплексов как неотъемлемая часть. Рост потребления электроэнергии, и генерирующих мощностей, усложнение электротехнических комплексов и систем требуют постоянного совершенствования устройств релейной защиты,и автоматики.

Органы направления? мощности входят в состав токовых направленных защит, которые применяются на ЛЭП' с двухсторонним питанием, на распределительных устройствах имеющих питание с двух или более сторон; в состав автоматики ввода5 резерва* на подстанциях с синхронными электродвигателями.

В настоящее время в эксплуатации находятся устройства РЗиА разных поколений, выполненные на» электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе: Наибольшее распространение В/электроэнергетических системах России имеют морально1 и > физически устаревшие электромеханические реле. Микроэлектронные устройства по ряду причин широкого распространения не получили, доля микропроцессорных устройств постоянно увеличивается. Использование микропроцессорной элементной базы считается наиболее перспективным направлением развития техники РЗиА. Однако обобщение опыта эксплуатации этих устройств за последнее время, показывает, что микропроцессорные терминалы РЗиА в ряде случаев - имеют худшие показатели надежности, чем электромеханические устройства.

В связи с этим, актуальной является как задача совершенствования органов направления мощности, выполненных на микропроцессорной элементной базе, так и разработка органов направления мощности на основе новых устройств.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры электроснабжения промышленных предприятий Кубанского государственного технологического университета по теме «Совершенствование электротехнических комплексов и электроэнергетических систем».

Целью работы является совершенствование органов направления мощности посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить точность, быстродействие и надежность их работы, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- обоснование необходимости совершенствования органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей;

- исследование искажения информации от перегруженных трансформаторов тока< и их влияния на работу реле направления мощности;

- разработка устройства позволяющего обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков тока;

- разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по-фазе устойчивого к искажениям информации;

- разработка органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем

- разработка и исследование математической модели органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- проведение экспериментальных исследований опытного образца реле направления мощности.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались-методы математического и физического моделирования, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан орган направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана математическая модель органа направления мощности, на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем:

- разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочув-ствительных органов, основанных на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению;

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм работы органа направления мощности-устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

- математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- новое реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- предложена структурная схема устройства для определения насыщения магнитопровода трансформатора тока;

- предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

- разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработана конструкция и изготовлено реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;

- на научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005, 2007 гг.);

- на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2006 г.);

- на международных научных конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009; 2010 гг.).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в виде статей и тезисов докладов в следующих изданиях:

- «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2005, 2007 гг.);

- «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы международной научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2006 г.);

- «Электроэнергетические комплексы и системы», сборник научных статей (Краснодар, КубГТУ, 2008, 2009 гг.);

- «Технические и технологические системы», материалы международной научной конференции (Краснодар, 2009 г.);

- «Технические и технологические системы», материалы второй международной научной конференции ТТС-10 (Краснодар, 2010 г.)

- «Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион. Технические науки» (Ростов-на-Дону, 2010 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 146 страниц, 65 рисунков, 4 таблицы и 64 источника.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Радионов, Владислав Михайлович

4.6 Выводы

1. Разработана аксиальная конструкция магнитопровода однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. Разработана конструкция реле направления мощности' на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его опытный образец.

3. Получена математическая модель экспериментального образца органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

4. Результаты испытаний органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, проведенные с использованием их математических: моделей, подтвердили- основные теоретические положения работы;

5. Проведенные испытания экспериментального образца нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным; полем показали, что разработанное реле имеет улучшенные показатели точности работы и быстродействия по сравнению; с существующими реле на микроэлектронной элементной базе.

6. При искажениях информации от перегруженных трансформаторов тока погрешность срабатывания разработанного реле направления- мощности значительно меньше, чем у существующих алгоритмов работы органов направления мощности.

138

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:

1. Существующие конструкции, схемы и алгоритмы органов направления мощности на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной'элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков. Необходимо > совершенствование органов» направления* мощности; используя новые: принципы и алгоритмы, в частности алгоритмы устойчивые к искажениям информации от трансформаторов тока, устройства с вращающимися; магнитными? полями;- которые позволяют повысить, надежность, точность работы; быстродействие защиты вместе со снижением ее стоимости:

2. Предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока.

3. Максимальная величина абсолютной погрешности разработанного алгоритма, органа направления- мощности,, пршполной! погрешности трансформаторов тока, достигающей 60%, не превышает 6° для сигнала с апериодической составляющей, и 2° для синусоидального сигнала. В сравнении: с существующими1 схемами и алгоритмами, улучшены показатели точности работы.

4. Разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

5: Разработана методика синтеза характеристик органов направления мощности на основе однофазных трансформаторов; с вращающимся магнитным полем.

6: Разработана математическая модель нового органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в виде матричных уравнений пространства состояний.

7. Разработана конструкция нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

8. Произведены численные и натурные эксперименты, результаты которых подтверждают теоретические основы создания органов направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и показывают улучшение технических характеристик органов по сравнению с существующими.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Радионов, Владислав Михайлович, 2011 год

1. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В. Решение задач вычислительной математики в пакетах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9. М.: НТ Пресс, 2006. 496 с.

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 2006. 639 с.

3. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова E.H. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 1104 с.

4. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М. Трансформаторы тока. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 416 с.

5. Басс Э.И., Дорогунцев'В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Издательство МЭИ, 2002. 296 с.

6. Беляев А. Цифровые терминалы РЗА. Опыт адаптации к российским условиям / А. Беляев, В. Широков, А. Емельянцев // Новости электротехники: информационно-справочное издание. 2007. № 1. С. 38-40.

7. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Л.: Энергия, 1978. 839 с.

8. ГОСТ 21427.1-83. Сталь, электротехническая холоднокатаная, анизотропная тонколистовая. Технические условия. Введ. 1984-01-01. М.: Издательство стандартов, 1992.

9. ГОСТ 22050-76. Магнитопроводы ленточные. Типы и основные размеры. Введ. 1977-07-01. М.: Издательство стандартов, 1992.

10. ГОСТ 7262-78. Провода медные, изолированные лаком ВЛ-931. Технические условия. Введ. 1980-01-01. М.: Издательство стандартов, 1991.

11. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия. Введ. 2003-01-01. М.: Стандартинформ, 2007.

12. Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

13. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 509 с.

14. Гончаров A.K. Алгоритмизация микропроцессорной обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики в электрических сетях : дисс. канд. техн. наук : 05.13.06. Краснодар, 2007. 127 с. Библиогр.: с. 109-117 РГЪ ОД, 61:07-5/4516.

15. Гуревич В.И. Микропроцессорные реле защиты: альтернативный, взгляд // Электро-Infb; 2006. № 4.

16. Гуревич В.И. Как нам обустроить релейную защиту: мнения российских специалистов и взгляд со стороны // Вести в,электроэнергетике. 2007. №2.

17. Гуревич В:И. Надежность микропроцессорных устройств релейнойIзащиты: мифы и реальность // Проблемы энергетики. 2008. № 5-6.

18. Дроздов А.Д., Засыпкин А.С:, Кужеков C.JI. Электрические цепи с ферромагнитными элементами в релейной защите. М.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.

19. Дьяконов В.П., Круглов В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. 480 с.

20. Заявка 2009120253 Российская Федерация: Реле направления мощности на1 основе трансформаторов с вращающимся магнитным, полем. / Коробейников »Б. А., Коробейников А.Б., Радионов В.М.; заявл. 27.05.2009; опубл. 10.12.2010. Бюл.№ 7; 1 с.

21. Иванов-Смоленский А.В: Электрические машины: учебник для ВУЗов. В'двух томах. Том 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 652 с.

22. Испытательная система для релейной защиты "Реле-томограф". Техническое описание и инструкция пользователя. Чебоксары: Научно-производственное предприятие "Динамика", 1998. 69 с.

23. Казанский В.Е. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. М.: Энергия, 1969. 184 с.

24. Калахан Д. Методы машинного расчёта электронных схем. М.: Мир, 1970. 127 с.

25. Коновалова Е. В. Основные результаты эксплуатации устройств РЗА энергосистем Российской Федерации / Е. В. Коновалова // Сборник докладов XV науч.-техн. конф. «Релейная защита и автоматика энергосистем», М.: 2002. С. 19-23.

26. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: учебник для ВУЗов. М.: Энергоатомиздат, 1993. 164 с.

27. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. Новосибирск: НГТУ, 2003: 283 с.

28. Либерзон Э.М;, Королев Е.П. Уменьшение вибрации контактной системы реле направления мощности // Электрические станции. 1967. № 12. С. 51-54.

29. Лйнт Г.Эг Серийные: реле: защиты,, выполненные нас интегральных микросхемах; М.: Энергоатомиздат, 1990: 112 с.

30. Павлов» В.Н., Ногин; В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. М.: Горячая линия Телеком, 2001. 320 с.

31. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов. М;: Высшая школа, 1987. 479 с.

32. Пат. 2333562 Российская? Федерация; Однофазный трансформатор вращающегося поля. / Коробейников Б;А;, Сидоров Д:И.; заявл. 4.06.2007; опубл. 10.09.2008.

33. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный* анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. Пер. с англ. М.: Энергия, 1980. 640 с.

34. Радионов В.М. Фазочувствительный орган для релейной защиты на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем /

35. B.М. Радионов // Технические и технологические системы: Материалы международной научной конференции. Краснодар: КВВАУЛ, 2009. С. 91-94.

36. Радионов В.М. Фазочувствительный орган, релейной защиты на основе* трансформаторов с вращающимся1 магнитным полем/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2010. № 4. С. 28-31.

37. Свешников А.Г., Тихонов А.Н. Теория функций комплексной переменной. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 336 с.

38. Сидоров Д.И. Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем: дисс. . канд. техн. наук : 05.09.03. Краснодар, 2010. 134 с.

39. Синельников. В.Я., Клименко И.Т. Работа реле направления мощности при- искаженной форме тока // Энергетика и электротехническая промышленность. 1965. № 3.

40. Сушко В. Релейная защита присоединений*6-35 кВ. Есть ли выход из тупика? / В. Сушко // Новости электротехники: информационно-справочное издание. 2006. № 4. С. 56-59.

41. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Mí: Энергия, 1970. 520 с.

42. Фабрикант B1JI. Основы теории построения измерительных органов-релейной-защиты и автоматики (органы с двумя электрическими величинами). М;: Высшая школа, 1968. 267 с.

43. Чернобровое Н.В. Релейная защита. М. Энергия, 1971. 624 с.

44. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimGowerSystems n Simulink. М.: ДМК Пресс, 2008. 288 с.

45. Шабад Mí А., Шевелев B.C. Опыт использования цифровых реле серии SPAC-800 в сетях электроснабжения России // Энергетик. 1998. № 12.

46. Шнеерсон Э.М: Полупроводниковые реле сопротивления. М.: Энергия, 1975: 143 с.

47. Шнеерсон Э.М: Динамика сложных измерительных органов релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1981. 208 с.

48. Шнеерсон- Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.

49. Anderson P.M. Power Sistem* Protection. New York: ШЕЕ Press, 1999. 1307 p.

50. Gurevich V. A Problem of Power Supply of Microprocessor-based Protective Relays in Emergency Mode // Electricity Today Transmission & Distribution Magazine. 2006. № 8. P. 32-35.36 ^

51. Horowitz S.H., Phadke A.GT^ower System Relaying. Chichester: John Wiley & Sons, Inc, 2009. 331 p.

52. LM111, LM311Y Differential comparators with strobes. Texas Instruments Incorporated, 1992. 16 p.

53. More J.J. The Levenberg-Marquardt algorithm: imclementation and theory. In G. Watson (Ed.),Numerical analysis. Berlin: Scringer, 1978.

54. Sleva A.F. Protective Relay Principles. Boca Raton: CRC Press, 2009. 332 p.