Совершенствование расчётов несимметричных режимов в ходе электромеханических переходных процессов для релейной защиты и автоматики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Лозинский, Константин Степанович

• Лозинский, Константин Степанович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лозинский, Константин Степанович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор и анализ существующих методик учёта влияния электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах на работу релейной защиты и автоматики.

1.1 Введение, постановка задачи.

1.2 Характерные случаи в технике релейной защиты и автоматики, в которых необходимо учитывать влияние электромеханических переходных процессов при выборе параметров настройки.

1.3 Анализ существующих способов учёта электромеханических переходных процессов при выборе характеристик и параметров настройки устройств релейной защиты и автоматики.

1.4 Сопоставление требований к математической модели электрических машин при моделировании несимметричных режимов в различных системах координат.

1.5 Обзор и анализ применяемых в электроэнергетике программных комплексов для расчёта установившихся режимов и электромеханических переходных процессов.

1.5.1 Программный комплекс ДАКАР.

1.5.2 Программный комплекс Епе

§уС8-3.

1.5.3 Программный комплекс Мустанг.

1.5.4 Программный комплекс АНАРЭС

1.5.5 Программный комплекс "ХпскнЧЖ" - 1пёогЕ1ес1га.

1.5.6 Программный комплекс Еигоз

§.

1.5.7 Программный комплекс ЯТКг.

1.5.8 Программный комплекс Ил^аЬ.

1.5.9 Программный комплекс РЭМП.

1.5.10 Сравнительный анализ рассмотренных программных комплексов.

1.6 Выводы по главе.

Глава 2. Разработка методики и дополнительных программных средств для расчёта электрических величин при несимметричных режимах в темпе электромеханического переходного процесса на базе известных программных комплексов (при одноместной несимметрии).

2.1 Постановка задачи и основные положения предлагаемой методики расчета.

2.2 Разработка алгоритмов и программных средств для автоматического формирования схем обратной и нулевой последовательности и дальнейшей работы с ними.

2.3 Пример расчёта несимметричного режима в темпе электромеханического переходного процесса по предложенной методике. Анализ полноты получаемой информации.

2.4 Алгоритм и программа расчёта эквивалентных сопротивлений схем замещения обратной и нулевой последовательности.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Разработка вариантов усовершенствования математической модели электрической сети для расчёта несимметричных режимов в темпе электромеханических переходных процессов при многоместной несимметрии.

3.1 Введение, постановка задачи.

3.2 Моделирование многоместной несимметрии в координатах симметричных составляющих 120.

3.3 Расчет по методике с применением декомпозиции исходной схемы на части, моделируемые в фазных координатах ABC и в координатах симметричных составляющих 120.

3.4 Выводы по главе.

Глава 4. Практическое применение разработанных приёмов моделирования и программ для расчётов несимметричных режимов.

4.1 Введение и постановка задачи.

4.2 Расчёт электрических величин для анализа работы устройства AJIAP на линии электропередачи в неполнофазном режиме работы электрической сети.

4.3 Расчёт электрических величин для анализа работы токовой защиты нулевой последовательности.

4.3.1 Отстройка защиты от токов нулевой последовательности в цикле ОАПВ.

4.3.2 Проверка чувствительности зашиты с выдержкой времени на ЛЭП с двухсторонним питанием.

4.4 Расчёт несимметричных режимов в автономных системах электроснабжения с большой долей асинхронной нагрузки.

4.4.1 Прием учета влияния электромагнитных переходных процессов в обмотках роторов асинхронных двигателей при расчете токов короткого замыкания в программах для моделирования электромеханических переходных поопессов.

4.4.2 Расчет токов КЗ для проверки чувствительности МТЗ и выбора уставки срабатывания токовой отсечки ЛЭП в автономной системе электроснабжения нефтяного месторождения.

4.5 Расчёт электрических величин в ходе электромеханического переходного процесса в энергосистеме при многоместной несимметрии.

4.6 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование расчётов несимметричных режимов в ходе электромеханических переходных процессов для релейной защиты и автоматики»

В настоящее время для расчета токов короткого замыкания (КЗ) в электроэнергетических системах (ЭЭС) используются программные комплексы (ПК), которые соответствуют методическим положениям, действующим Руководящим указаниям и стандартам по расчетам токов КЗ. Существенным недостатком данных ПК является невозможность учета изменения электрических величин в ходе электромеханических переходных процессов (ЭМПП) в ЭЭС и электромагнитных переходных процессов в контурах роторов синхронных машин. Эти процессы, как известно, могут оказывать влияние на функционирование устройств релейной защиты и автоматики (РЗА).

Применяемые в специализированных ПК («Мустанг», «ДАКАР», «АНАРЭС-2000» и т.п.) математические модели электрической сети для расчётов установившихся режимов и ЭМПП построены на однолинейной схеме замещения (схеме прямой последовательности). Следовательно, процессы, вызываемые несимметричными короткими замыканиями или неполнофазными режимами, воспроизводятся только по прямой последовательности. При этом исключается возможность определения токов и напряжений обратной и нулевой последовательности и их фазных значений в любой ветви и в любом узле схемы в ходе ЭМПП, что не позволяет использовать данные ПК для выполнения большинства расчётных задач РЗА.

В связи с этим, актуальной является задача разработки методик расчёта несимметричных режимов в ПК, моделирующих ЭМПП по однолинейной схеме замещения сети, а так же совершенствования математических моделей электрической сети данных ПК, с целью реализации в них возможности расчёта электрических величин в ходе ЭМПП при одноместной и многоместной несимметрии трёхфазной электрической сети.

При выполнении диссертационной работы автор использовал известные результаты работ Ульянова С.А., Чернина А.Б., Иванова В.П., Лоханина Е.К, Скрыпника А.И, Шепилова О.Н., Закарюкина В.П., Нагая В.И., Чернякова В.Н. и др. в области расчёта электрических величин в несимметричных режимах и моделирования электромеханических переходных процессов на электронных вычислительных машинах (ЭВМ).

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка методик и вариантов усовершенствования математической модели электрической сети, а так же вспомогательных программных средств для расчёта электрических величин при одноместной и многоместной несимметрии трёхфазной электрической сети в ходе электромеханического переходного процесса в энергосистеме.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- разработка методики расчёта симметричных составляющих токов и напряжений в узлах и ветвях схемы при несимметричных режимах электрической сети, в ПК для моделирования ЭМПП, работающих с однолинейной схемой замещения;

- разработка алгоритма автоматического формирования схем замещения обратной и нулевой последовательности на основе схемы замещения прямой последовательности, дополненной необходимой количественной и логической информацией по параметрам исследуемой сети;

- реализация полученного алгоритма в виде программы для ЭВМ с пользовательским интерфейсом, использующим принятые в электроэнергетике термины и обозначения; разработка вариантов усовершенствования математической модели электрической сети, применяемой в ПК для моделирования ЭМПП в ЭЭС, с целью реализации в этих программах возможности расчёта электрических величин в ходе ЭМПП при многоместной несимметрии.

Методы исследований

Для решения поставленных в работе задач используются: фундаментальные законы электротехники; методы обработки информации с помощью ЭВМ; методы математического моделирования; вычислительные эксперименты.

Достоверность результатов подтверждается использованием классических методов, совпадением результатов расчётов, выполненных в различных специализированных программных комплексах.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту

1. Разработан алгоритм автоматического формирования схем замещения обратной и нулевой последовательности, с сохранением в них трансформаторных связей в продольных и поперечных ветвях.

2. Разработаны уравнения для моделирования нескольких одновременных коротких замыканий и обрывов фаз в системе симметричных составляющих, записанные в форме, используемой для уравнений электрической сети программных комплексов, моделирующих электромеханические переходные процессы.

3. Разработана методика расчёта несимметричных режимов электрической сети в ходе электромеханических переходных процессов с применением декомпозиции схемы замещения на части в фазных координатах и симметричных составляющих.

Практическое значение и реализация результатов работы

Полученные в работе средства расчёта электрических величин в ходе электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах электроэнергетической системы, могут использоваться в расчётах электрических величин для выбора параметров срабатывания и анализа поведения устройств релейной защиты и автоматики в ходе электромеханического переходного процесса в энергосистеме.

Результаты работы использовались:

- ООО Hl Iii "ЭКРА" для расчёта напряжения нулевой последовательности, наводимого на цепи статора гидрогенераторов

Чебоксарской ГЭС при однофазном коротком замыкании на стороне высокого напряжения трансформатора блока (НИР Н-10/08 (173/Э-08) «Обследование режимов заземления нейтрали генератора для предотвращения опасных перенапряжений в различных режимах эксплуатации с выдачей эспертного заключения, разработкой ТЭО выбранного варианта»).

- ООО «НефтеЭнергоПроект» в расчётах токов короткого замыкания при проектировании объектов: «Система магистральных нефтепроводов Юрубчено-Тохомское месторождение (ЮТМ) - Тайшет. Магистральный нефтепровод Кучеткан-Тайшет. Автономное электроснабжение», «Технологическое присоединение газотурбинной электростанции мощностью 24 МВт на Двуреченском месторождении ОАО «Томскнефть» ВНК».

- в учебном процессе ТПУ при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Личный вклад автора

Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его непосредственном участии: разработка и практическая реализация в виде программы для ЭВМ алгоритма расчёта эквивалентных сопротивлений схем замещения обратной и нулевой последовательности, для нахождения шунтов КЗ и добавочных сопротивлений неполнофазных режимов; получение уравнений, связывающих симметричные составляющие электрических величин в месте несимметрии для всех видов повреждений, учитываемых при анализе работы устройств релейной защиты и автоматики, в форме пригодной для добавления их в систему уравнений электрической сети, используемую в ПК для моделирования ЭМПП; получение уравнений связи фрагментов в симметричных составляющих и фазных координатах в общую схему замещения, записанные в форме пригодной для их включения в состав системы уравнений электрической сети, используемой в ПК для моделирования ЭМПП.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем" (г. Москва, 2009 г.), международной научно-практической конференции "ЭНЕРГОСИСТЕМА: Исследование свойств, Управление, Автоматизация" (г. Новосибирск, 2009 г.); научно-технической конференции "Развитие противоаварийного управления Объединенной энергосистемы Сибири" (г. Кемерово, 2010 г.); международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008, 2009 г.г.); международной научно -практической конференции "ЭНЕРГОСИСТЕМА: Управление, Конкуренция, Образование" (Екатеринбург, 2008 г.).

Публикации. По направлению диссертационной работы автором опубликовано 13 работ, в том числе: 4 статьи в рецензируемых периодических изданиях по перечню ВАК; 6 статей материалы докладов конференций; 1 работа депонирована, 1 программа введена в Государственный фонд алгоритмов и программ РФ.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Лозинский, Константин Степанович

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Обоснована целесообразность расчёта электрических величин при несимметричных повреждениях в ходе электромеханического переходного процесса в энергосистеме при выборе параметров срабатывания и анализе работы устройств РЗА, что особенно актуально для устройств защиты и автоматики, реагирующих на симметричные составляющие токов и напряжений и имеющих выдержки времени на срабатывание.

2. Проведён анализ существующих методик, применяемых при расчётах несимметричных режимов электрических сетей, отмечены их достоинства и недостатки при расчётах с моделированием электромеханических переходных процессов в энергосистеме.

3. Проанализированы возможности существующих программных комплексов, используемых в электроэнергетике для расчёта электрических величин, выполнено сравнение их возможностей применительно к решению задач расчета несимметричных режимов в ходе электромеханических переходных процессов в энергосистеме.

4. Предложена методика расчёта симметричных составляющих токов и напряжений в ветвях и узлах схемы в темпе электромеханического переходного процесса в промышленных программных комплексах, построенных на базе однолинейной схемы замещения прямой последовательности.

5. Разработан алгоритм автоматического формирования схем замещения обратной и нулевой последовательности, с сохранением в них трансформаторных связей в продольных и поперечных ветвях, на основе схемы прямой последовательности и дополнительной логической и количественной информации по элементам электрической сети.

6. Разработана программа ("811еп№1гагсГ) с пользовательским интерфейсом, использующим принятые в электроэнергетике термины и обозначения, выполняющая автоматическое формирование схем замещения обратной и нулевой последовательности по предложенному алгоритму.

7. Предложен алгоритм определения эквивалентных сопротивлений схем замещения обратной и нулевой последовательности, сформированных программой "ЗЬету^гагсГ, для расчёта шунтов КЗ и добавочных сопротивлений. Разработана программа, работающая по предложенному алгоритму.

8. Предложено два варианта усовершенствования модели электрической сети, используемой в программных комплексах для моделирования электромеханических переходных процессов, позволяющих без изменения идеологии расчёта и математического аппарата, реализовать в данных программных комплексах возможность расчёта режимов при многоместной несимметрии электрической сети в ходе электромеханических переходных процессов.

9. Разработанные расчётные средства и вспомогательное программное обеспечение апробированы на большом количестве как академических схем, так и на схемах реальных энергообъектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лозинский, Константин Степанович, 2011 год

1. С.А. Ульянов Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Учебник для электротехнических и энергетических вузов и факультетов. М., «Энергия», 1970. 520 с. с ил.

2. Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты. М.: Энергоатомиздат, 1986. -448 с. с ил.

3. Фабрикант В.Л. Дистанционная защита: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1978. - 215 с. с ил.

4. Беркович М. А., Молчанов В. В., Семенов В. А. Основы техники релейной защиты. — М.: Энергия, 1984. 372 е., ил.

5. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 е., ил.

6. Руководящие указания по релейной зашите. Выпуск 07. Дистанционная защита линий 35-330 кв. М.-Л.: Энергия, 1966. 172 е., с черт.

7. В.Н. Щедрин и С.А. Ульянов Задачи по расчету коротких замыканий. М.: Государственное энергетическое издательство, 1955. - 232 е., ил.

8. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 04. Защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. с черт, и табл.

9. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 02. Ступенчатая токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-220 кв. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, 64 е., с черт.

10. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. М.: Энергия, 1980. 88 е., ил.

11. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 01. Защита генераторов, работающих на сборные шины. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. 68 с. черт, и табл.

12. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 05. Защита блоков генератор-трансформатор и генератор-автотрансформатор. М.-Л.: Энергия, 1963, 114 с, с черт.

13. Рюденберг Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок. Пер. с нем. Л. Энергия. 1980г. 578 е., ил

14. Ульянов С.А. Короткие замыкания в электрических системах. М.: Госэнергоиздат, 1952. -280 с.

15. Г.И. Атабеков Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. М.: Государственное энергетическое издательство, 1957. - 344 с. с ил.

16. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление в задачах электротехники. Изд. 2-е, доп., Л., «Энергия», 1972 г., 360 с. с ил.

17. Лоханин Е.К., Глаголев В.А., Скрыпник А.И. Моделирование асинхронных машин. Сборник докладов III Международной научнопрактической конференции. В 2т.- Екатеринбург: УГТУ-УПИ.Т.1., 2008.-453с.

18. Неофициальный сайт режимщиков Электронный ресурс. — Режим доступа: http://regimov.net, свободный. — Загл. с экрана

19. Д1АЛОГОВИЙ АВТОМАТИЗОВАНИЙ КОМПЛЕКС АНАШЗУ РЕЖИМ1В Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.dakar.eleks.com, свободный. — Загл. с экрана

20. EnergyCS 3 Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.csoft.ru/catalog/soft/energycs/energycs-3.html, свободный. — Загл. с экрана

21. АНАРЭС 2000 Электронный ресурс. — Режим доступа: www.anares.ru, свободный. — Загл. с экрана

22. Индорэлектра: система электрических расчетов Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.indorsoft.ru/products/power/electra/, свободный. — Загл. с экрана

23. Eurostag and associated products dedicated to the simulation of Power Systems Dynamics Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.eurostag.be, свободный. — Загл. с экрана

24. RTKZ 2.03 Электронный ресурс. — Режим доступа: http://rtkz.narod.ru, свободный. — Загл. с экрана

25. Программные комплексы RastrWin, Bars, Lincor, Rustab Электронный ресурс. — Режим доступа: www.rastrwin.ru/rustab, свободный. — Загл. с экрана

26. Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.niipt.ru. свободный. — Загл. с экрана

27. Manitoba HVDC Research Centre Электронный ресурс. — Режим доступа: https://pscad.com. свободный. — Загл. с экрана

28. MathWorks Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.mathworks.com, свободный. — Загл. с экрана

29. Экспериментальное и расчетное исследования устойчивости режима вставки постоянного тока. В.А. Андреюк, А.Ю. Виноградов Известия НИИ постоянного тока, № 60, 2004, с. 257 - 263

30. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин A.A. Расчеты устойчивости и противоаврийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990. 390 с. сил.

31. ALGOLIST.MANUAL.RU Электронный ресурс. — Режим доступа: http://algolist.manual.ru/games/wavealg.php, свободный. — Загл. с экрана

32. ГОСТ Р 52735-2007 "Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ" Москва, Стандартинформ, 2007.

33. Чернин А. Б., Лосев С. Б. Основы вычислений электрических величин для релейной защиты при сложных повреждениях в электрических системах М.: Энергоатомиздат, 1983. - 526 с.

34. Авербух А. М. Решения задач по неполнофазным режимам и сложным видам коротких замыканий. Л.: Энергия, 1972. - 160 е., черт.

35. Булгаков Н. И. Группы соединения трансформаторов. Изд. 3-е, перераб. и доп. Москва, «Энергия», 1977. 80 с. с ил

36. Закорюкин В.Н. Крюков A.B. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та 2005. - 273 с.

37. Медов Р. В. Развитие методов и программного обеспечения исследований несимметричных режимов электроэнергетических систем: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук :05.14.02 / Р. В. Медов. СПб., 2002. - 18 с.

38. Список публикаций по теме работы

39. Вайнштейн P.A., Лозинский К.С., Иванов В.П., Кобытев М.И. Усовершенствование расчетов несимметричных режимов в программах расчета электромеханических переходных процессов. // Электричество №07 -2008 с. 19.

40. Вайнштейн P.A., Лозинский К.С., Коломиец Н.В. Расчёт несимметричных режимов в электроэнергетической системе на основе сочетания систем координат. Известия Томского политехнического университета. 2010. - Т. 316.-№4, с. 146-152.

41. Вайнштейн, Р. А. Расчет токов короткого замыкания и неполнофазных режимов с учетов электромеханических переходных процессов на базе программы "Мустанг" / Р. А. Вайнштейн, И. М. Кац, К. С. Лозинский // Энергетик. 2011. - N 2. - С. 39-42.

42. Моделирование подпитки от асинхронных двигателей при коротких замыканиях. / Вайнштейн Р. А., Коломиец К В., Лозинский К. С. / Томский политехнический университет. Томск, 2009. - 14 е., ил., библ. 5. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ РАН 13.07.2009, № 472-В2009.

43. Программа "Shemwizard". Формирование схем замещения обратной и нулевой последовательности электрической сети. Информационная карта АИП зарегистрирована ВНТИЦ№ 50201151176 от 29.08.2011.