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 обозначенияразработка 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 электротехникиметоды обработки информации с помощью ЭВМметоды математического моделированиявычислительные 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 режимовполучение 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 ЭМППполучение 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 научнопрактической 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.

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

.