Системы релейной защиты (РЗ), применяемые в электроэнергетике в настоящее время, являются быстродействующими системами обнаружения коротких замыканий (КЗ) в оборудовании и электрических сетях энергосистем и подавления данных повреждений путем отключения места КЗ с помощью силовых высоковольтных коммутаторов (выключателей), секционирующими сеть.
Основой РЗ являются релейные измерительные органы, вырабатывающие логический потенциальный сигнал при превышении заданного порога контролируемого параметра реагирования (токов разных видов, напряжений обратной и нулевой последовательности, мощности — защиты максимального действия) или при снижении другого контролируемого параметра реагирования (сопротивления, напряжения прямой последовательности — защиты минимального действия). РЗ, реагирующая на сопротивления от места установки защиты на защищаемом объекте до места КЗ, называется дистанционной защитой (ДЗ).
Метрическим характером функционирования РЗ предопределяет научно-технические задачи, которые посвящаются, главным образом, метрологии средств РЗ, т. е. релейным измерительным органам. Благодаря найденным метрологическим достижениям (торможение от токов, конфигурация характеристик срабатывания в комплексной плоскости сопротивления, компенсация падений напряжений обратной и нулевой последовательности на линиях) и схемотехническим решениям в основном дифференциального принципа практически полностью (дифференциальные защиты) или частично (дистанционные РЗ) исключены потери функционирования в виде отказов срабатывания, излишних и ложных действий, т. е. обеспечена существенную независимость выполняемых функций релейной защитой от режимно-коммутационных условий и видов повреждений в электрической сети. Для РЗ с обменом информацией о срабатывании между комплектами РЗ на концах линий, по принципу действия являющихся распространением дифференциального принципа на распределенные в пространстве линии, также удалось достигнуть подобных показателей.
Пути достижения режимно-коммутационной независимости функционирования РЗ несомненно должны развиваться и в дальнейшем. Способствует этому не только разработка и совершенствование релейных измерительных органов. Сама электрическая сеть является естественной основой построения существующих систем релейной защиты и потому влияющей на их свойства. Данное качество сети проявляется благодаря ее структуре, участвующей в формировании потоков параметров реагирования в рабочих режимах и при КЗ, которые измеряют релейные измерительные органы, также благодаря ее секционированию коммутационными аппаратами на продольные ветви линий и оборудования, поперечные узлы в виде распределительных устройств, дополнительно подразделяемых на секции, что обеспечивает подавление аварийной ситуации. Сопротивления, на которые реагируют системы ДЗ, в функциональном смысле являются такими же потоками как электрические токи и мощности. Во взаимодействии структуры сети и системы РЗ целесообразно искать если не в чистом виде декомпозиции, то, по крайней мере, достаточно вырожденного преобразования зависимости РЗ от сети. Кроме этого, широко используются логико-временная обработка сигналов релейных измерительных органов, блокирующие каналы, реагирующие на потоки, запоминание первоначального замера сопротивления, логическое взаимодействие блокировок от качаний с ДЗ линий для улучшения свойств РЗ, повышения надежности работы.
Тем не менее остается количественно не меньший класс ступенчатых токовых и дистанционных РЗ (в первую очередь линий), в которых по принципу действия имеют место неустранимые потери функционирования РЗ: отказы срабатывания, излишние и ложные действия, зависящие от режимно-коммутационного состояния сети, видов КЗ, помех, что обобщенно выражается как зависимость от выбранных уставок. Хотя в современных ступенчатых РЗ ответственных объектов предусмотрен канал обмена о срабатывании комплектов РЗ на концах линии и тем самым решена проблема о быстродействующем срабатывании при КЗ на всем пространстве защищаемых линий, остаются вопросы выбора уставок и расчетов потерь вторых (третьих) и резервирующих ступеней, которые целесообразны к осмыслению и решению в современном интенсивно-инновационном виде. Кроме того подавляющая часть ступенчатых РЗ линий разных категорий ответственности выполняют функции основных и резервирующих защит без каналов обмена между комплектами РЗ на концах линий. Оборудование РЗ каналами обмена данных линий экономически невыгодно, но поиск и внедрение решений, снижающих потери и повышающих эффективность функционирования целесообразны и необходимы. Актуальность данного вопроса в настоящее время возрастает в связи с тем, что разработан большой арсенал электромеханических, микроэлектронных и особенно микропроцессорных РЗ, приблизительно одинаковых по своим потребительским качествам, однако нет однозначно объективного расчетного критерия качества для практического применения при выборе РЗ для каждого защищаемого объекта как элемента сети.
Как показали результаты изучения потерь и эффективности функционирования РЗ, получены критерии оптимальной настройки ступеней РЗ, оценки качества этой настройки, на основании чего предложены более эффективные варианты построения ДЗ линий на производимой аппаратуре.
В связи с изложенным актуальной является задача изучения, разработки математических моделей, расчета потерь, отдельных составляющих и в целом технической эффективности функционирования ступенчатых РЗ в зависимости от уставок, концентрирующих в своих значениях зависимость от режимно-коммутационного состояния сети, также алгоритмов и методик определения оптимальных значений уставок, разработки практических способов реализации наилучшей настройки РЗ или близких к ней, оценки качества ступеней ДЗ линий. Причем как показал анализ потерь РЗ с точки зрения поставленных задач, следует учитывать только потери непосредственно связанные с уставками, зависящими от режимно-коммутационного состояния сети и видов КЗ, в дальнейшем называемых функционально-метрологическими, т. е. вызванных как функционированием сети, так и аппаратуры, адаптируемой к режимно-коммутационным состояниям сети с учетом ее метрологической погрешности, но без аппаратурных отказов и других радикальных воздействий из-за ошибок персонала, стихийных явлений, других потерь, которые опосредованно (как следствие) или никаким образом не связаны с уставками.
В данной работе представлены разработки и исследования названных вопросов для ступенчатых дистанционных релейных защит высоковольтных электрических сетей от междуфазных и однофазных КЗ с учетом потерь непосредственно связанных с уставками, зависящими от режимно-функционального состояния сети и видов КЗ, т. е. функциональными потерями, которые можно изменить или уменьшить силами квалифицированного эксплуатационного, в том числе оперативного персонала энергосистем. Непосредственное устранение потерь, обусловленных аппаратурными отказами, ошибками персонала, стихийными явлениями либо невозможно, либо непродуктивно техническими средствами эксплуатационного персонала электроустановок. Изучение данных потерь также непродуктивно, т.к. выводы заранее известны: элементы устройств РЗА должны быть максимально надежны, персонал должен быть квалифицированный, от стихийных бедствий невозможно спастись.
На основании изложенного основные характеристики диссертационной работы могут быть представлены в виде:
Актуальность работы.
Согласно статистике, причиной значительного числа тяжелых аварий и их развития в электроэнергетических системах (ЭЭС) (по разным оценкам не менее 25%) служат неправильные действия релейной защиты и автоматики (РЗА), обусловленные использованием при их проектировании и настройке неполной и недостаточно достоверной информации о процессах и режимах в ЭЭС. Неточность данной информации обусловлена имеющимися сложностями ее получения, а также случайным характером процессов и режимов в ЭЭС, и характеризующих их электрических величин соответственно. Указанные условия функционирования РЗА не учитываются при определении их настроек, что в ряде случаев приводит к неправильным действиям (ложным и излишним действиями, отказам в срабатывании).
Значительный вклад в решение вопросов разработки и совершенствования методов оценки надежности и эффективности функционирования РЗА, внесли следующие отечественные ученые: Беркович М. А., Фабрикант B. JL, Кулиев Ф. А., Смирнов Э. П., Рипс Я. А., Барзам А. Б., Гук Ю. Б., Зейлидзон Е. Д., Манов H.A., Федосеев A.M., Гельфанд Я. С., Манусов В. З., Каринский Ю. И., Якоб Д., Шалин А. И., Манов H.A., Мёллер К. Ю., Коновалова Е. В., Нудельман Г. С., Гуревич В. И., Шнеерсон Э. М., Куликов A. J1. и др.
Проанализировав работы вышеуказанных авторов и предлагаемые ими методы и математические выражения оценки надежности и эффективности функционирования РЗА, необходимо отметить, что большая часть работ направлена на оценку и повышение либо сугубо аппаратурной надежности, либо интегральной эффективности (эффективности функционирования), учитывающей все потери функционирования (неправильные действия) РЗА: аппаратурные потери, потери из-за влияния внешней среды, потери из-за ошибок эксплуатационного и монтажного персонала, потери настройки (функциональные потери) и др. С прагматической точки зрения применения результатов такая постановка в данной работе задачи является неправомерной, т.к. нет никаких творческих кроме тривиальных рекомендаций по уменьшению или исключению разных потерь, кроме функциональных потерь настройки РЗ.
Ввиду случайного характера процессов и режимов в ЭЭС, различными авторами (Шалин А.И., Якоб Д., Мёллер К. Ю., Каринский Ю.И.) были представлены вероятностно-статистические подходы для оценки эффективности настройки РЗА и оптимизации уставок. Однако, они не получили широкого распространения из-за отмечаемых самими авторами сложности, высокой ресурсоемкости наиболее простого, всеобъемлющего и широко используемого метода статистических испытаний при большом числе входных или исходных данных и, следовательно, невозможности получения законов распределения вероятностей (ЗРВ) электрических величин, являющихся параметрами реагирования РЗ, низкой представительности статистических данных, которая только усугубляется при разделении неправильных действий РЗ на составляющие отказов срабатывания, излишних и ложных действий. В настоящее время в ТПУ разработан и используется метод селекции границ интервалов исходных и выходных данных (СГИД) [49] для определения ЗРВ функциональных зависимостей по ЗРВ ее аргументов, в частности, определение ЗРВ параметров режимов и электрических величин при КЗ по ЗРВ исходных данных (активным и реактивным мощностям нагрузочных узлов, активным мощностям и напряжениям генераторных узлов). Что касается непредставительности редкостных статистических данных, то в большинстве практических случаев в данной работы использован простой практический прием совмещения редкостного события и событием с достаточно представительной статистикой. Это позволяет рассчитать вероятностные характеристики редкостных событий по вероятностным характеристикам событий с представительной статистикой.
В соответствии с вышеизложенным, работы в области оценки надежности, качества функционирования и повышения эффективности РЗ, в том числе и ДЗ, в настоящее время продолжают оставаться актуальными.
Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка и обоснование критериев технического эффекта для оптимальной настройки и технической эффективности для оценки качества настройки ступеней (каналов) ступенчатых ДЗ высоковольтных линий, учитывающих функционально-метрологические потери РЗ, также применение данных критериев для структурно-функционального анализа с целью формирования вариантов построения эффективных ДЗ линий, удовлетворяющих требованиям к работе каналов ДЗ и наилучшей их настройке.
Для достижения поставленных целей в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. анализ условий формирования свойства селективности РЗ,.
2. изучение характеристик ступеней и особенностей измерительных органов дистанционных релейных защит,.
3. обзор существующих способов настройки и оценки качества функционирования релейной защиты,.
4. случайный характер процессов функционирования сети и аппаратуры РЗ, обоснование, выбор и определение параметров законов распределения вероятностей электрических величин в рабочих режимах и при КЗ с применением существующих и разработанных вероятностных методов, включая, вероятности редкостных событий потерь РЗ: отказов срабатывания, излишних и разных видов ложных действий,.
5. разработка математических формул и алгоритмов для расчета составляющих технического эффекта и технической эффективности каналов ДЗ — вероятностей потенциального эффекта (КЗ на защищаемом объекте) и неправильных действий или потерь (отказов срабатывания, излишних и ложных действий),.
6. обобщенный режимно-коммутационный анализ сети, параметров реагирования и технической эффективности ступенчатых дистанционных защит линий,.
7. разработка и применение критериев и методик для расчетов и оптимизации настройки ступенчатых дистанционных РЗ и оценка их качества,.
8. примеры расчетов и оптимизации уставок по критериям технического эффекта и оценки их качества по критерию технической эффективности и его составляющим.
Методы исследований.
Для выполнения работы использованы методы электротехники, методы математического анализа, математической статистики, теории вероятностей. Для проведения экспериментально-расчетных исследований использовались промышленные программы (ТКЗ 3000).
Достоверность результатов исследований подтверждается строгостью теоретического обоснования, корректным использованием вероятностно-статистических методов, результатами теоретических и практических исследований.
Новизна результатов.
В работе содержатся следующие новые научные результаты:
1. Разработаны настроечные критерии в виде технического эффекта для первой ступени, минимума излишних действий для второй и третьей резервирующей ступеней ДЗ, также критерий технической эффективности для оценки качества настройки каждой из ступеней. На основе существующих вероятностно-статистических методов, разработанных формул и алгоритмов сформировано математическое описание указанных критериев.
2. Обоснован равномерный закон распределения вероятностей замеряемого сопротивления от места установки ДЗ до места КЗ для однородных по сопротивлению участков силовых элементов сети.
3. Обнаружена независимость от режимно-коммутационных состояний сети зон захвата вторыми и третьими резервирующими ступенями защищаемого объекта пространств периферийных элементов, необходимых для вычисления вероятностей излишних действий.
4. Представлен режимно-коммутационный анализ технической эффективности дистанционной ступенчатой релейной защиты линии в сетевом районе высоковольтных линий, позволивший разработать рекомендации и методику вероятностно-статистической настройки и определения технической эффективности каждой ступени ДЗ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Получен инженерный аппарат в виде формул и алгоритмов, позволяющий просто определять наилучшие (оптимальные) уставки ДЗ путем задания их значений и определения критерия максимального эффекта для первой ступени, минимального значения излишних действий для второй и третьей ступени, а также вычислять техническую эффективность оптимального варианта как количественную оценку качества каждой ступени.
2. Благодаря объективной оценки качества каждой ступени получена практическая возможность отойти от жесткости требований руководящих указаний. Так, уставки вторых ступеней можно выбирать, исходя из чувствительности, проверяя наличие излишних действий, а по критерию технической эффективности наличие ухудшения качества.
3. Вследствие наличия обходных связей уставки по времени третьих резервирующих ступеней, приходится ограничивать волевым путем. Разработанный алгоритм вычисления вероятности излишних действий в таких случаях позволяет по минимуму этой вероятности выбрать оптимальный вариант, а по критерию технической эффективности оценить качество этого оптимального варианта.
4. Благодаря разработанному алгоритму учета экономического соотношения удельных весов отказов срабатывания и излишних действий более точными и объективными становятся все предложенные критерии и алгоритмы.
5. Предложенные методика и алгоритмы могут быть использованы в соответствующих проектных и научно-исследовательских организациях, также в вузах электроэнергетического профиля.
6. Проведена проверка разработанного критериев технической эффективности, рекомендаций и методики для реального сетевого района Тюменской энергосистемы. Результаты работы использованы в учебном процессе Томского политехнического университета, на предприятии Филиала ОАО «СО ЕЭС» Томское РДУ (подтверждено актами об использовании результатов).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск 2010 г.) — Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2010;2012 гг.) — Всероссийская научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г. Томск, 2011, 2012 гг.) — Всероссийская научно-техническая конференция: Энергетика: экология, надежность, безопасность (г. Томск, 2010,2011 гг.).
Публикации.
По направлению диссертационной работы автором опубликовано 17 работы, в том числе: 3 статьи в рецензируемых периодических изданиях по перечню ВАК- 13 статей в виде материалов докладов конференций- 1 патент на изобретение.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четыре главы, заключения, списка использованных источников из 63 наименований и приложения, содержит 18 рисунков, 6 таблиц. Общий объем диссертации — 194 страниц.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Выделена из общих условий работы релейной защиты (РЗ), функционально-метрологическая составляющая, определяемая режимно-коммутационными действиями и состояниями в сети и метрологическими возможностями аппаратуры, и которая непосредственно связана с уставками. В рамках этой составляющей рассмотрены потенциальный эффект в виде коротких замыканий (КЗ) на защищаемом объекте, которые должна ликвидировать РЗ путем отключения выключателей, и потери РЗ в виде отказов срабатывания, излишних и ложных действий с учетом особенностей дистанционных защит (ДЗ).
2. Для РЗ, функционирующей в условиях названной составляющей, введены критерии технического эффекта и технической эффективности, первый из которых является разностью потенциального эффекта и потерь, а второйотношением первого критерия к потенциальному эффекту. С помощью критерия технической эффективности без учета ложных действий осуществлен феноменологический анализ работы ступеней дистанционных защит линий. В условиях отсутствия метрологической погрешности и одинаковых удельных весов отказов срабатывания и излишних действий выявлены максимумы критерия: для основных первой и второй ступеней при уставках, равных сопротивлению замера от места размещения ДЗ линии до наиболее удаленного конца, а для третьей при уставках, равных суммарно-эквивалентному сопротивлению защищаемой и резервируемых по защите каждой из линий первой периферии в направлении действия ДЗ.
3. Феноменологический анализ также показал, что при успешной настройке второй ступени, а также третьей (резервирующей) ступени в радиальной сети по руководящим указаниям функциональнометрологические излишние действия отсутствуют. При наличии обходных связей в сети принципиально невозможна логичная настройка выдержки времени резервирующей ступени, что обусловливает излишние действия последней при взаимодействии с резервирующими ступенями периферийных элементов сети. Следовательно, в любой реальной ситуации минимум излишних действий второй и третьей ступеней является критерием технической оптимальности настройки этих ступеней ДЗ линий.
4. Причиной излишних действий каждой рассматриваемой ступени является допущенные зоны равновременности действий с одноименными ступенями соседних предыдущих или смежных элементов или отказов срабатывания ступеней последних при КЗ на них в направлении действия рассматриваемой ступени, а для третьей резервирующей ступени также меньшая выдержка времени рассматриваемой ступени по сравнению с резервирующими ступенями периферийных элементов разных периферий. Для первой ступени критерием оптимальности настройки является максимум технического эффекта без учета ложных действий. Введенные критерии технического эффекта и технической эффективности благодаря зависимости от уставок ступеней можно использовать для непосредственного выбора уставок РЗ.
5. Случайный характер режимов и процессов, топологии и коммутаций предопределили вероятностную форму технического эффекта, технической эффективности и их составляющих, в виде наиболее информативных вероятностей потенциального эффекта (КЗ), потерь отказов срабатывания, излишних и ложных действий. Для расчетов вероятностей редкостных статистически непредставительных потерь использован известный • подход совмещения редкостного события с достаточно представительным событием-состоянием, благодаря чему «безусловная» вероятность редкого события, рассчитываемая как произведение также «безусловной» вероятности статистически представительного состояния на условную вероятность редкого события на поле этого состояния, оказывается определенной с такой же точностью, что и «безусловная» вероятность события-состояния. Для расчетов условных вероятностей редких событий применен разработанный в ТПУ метод селекции интервалов исходных и выходных данных (СГИД), позволяющий по вероятностным характеристикам исходных данных как аргументов функциональной зависимости определить вероятностные характеристики этой зависимости (ФЗ).
6. Реализация метода СГИД для ФЗ в виде параметров установившихся рабочих режимов и электрических величин при КЗ с использованием вычислительных расчетных комплексов (ВРК) соответственно ДАКАР и ТКЗ-3000 позволила определить параметры как наиболее вероятного нормального закона распределения вероятностей (ЗРВ) параметров режимов и электрических величин при КЗ, в том числе приемлемого для замеряемых при КЗ сопротивлений дистанционными защитами линий района энергосистемы. Однако более естественным, а потому еще более приемлемым ЗРВ функциональной зависимости замеряемых сопротивлений при КЗ на линиях является равномерный ЗРВ, параметры которого благодаря вырожденности ФЗ замеряемых сопротивлений при КЗ определяются предельно просто, а именно, для каждого однородного участка линии плотность распределения вероятностей (ПРВ) обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. По ЗРВ замеряемых сопротивлений определяются интересующие условные вероятности действий и отказов срабатывания ступеней ДЗ. Исходные данные (активные и реактивные мощности нагрузочных узлов, активные мощности и напряжения генераторных узлов) ФЗ или квантили заданных порядков для применения метода СГИД приняты распределенными по нормальному ЗРВ.
7. С помощью подхода, изложенному в п. 5 составлены выражения критериев технического эффекта и технической эффективности для основных первой и второй, а также для третьей резервирующей ступеней дистанционной защиты линий. Феноменологический анализ технической эффективности ДЗ для линий показал, что для выбора оптимальной уставки первой ступени по сопротивлению достаточно упрощенного выражения технического эффекта без учета ложных действий, а для вторых и третьих резервирующих ступенейвообще одного выражения излишних действий. При оптимальных значениях уставок, найденных для первой ступени по максимуму технического эффекта, а для второй и третьей ступеней по минимуму излишних действий должно быть оценено качество данной настройки с помощью критерия технической эффективности. Если данный критерий близок к единице то настройка может ч быть принято. В противном случае следует проверить, удовлетворяет ли уставка частным потребительским требованиям, например, чувствительности. Поэтому может возникнуть необходимость отклониться от оптимальной уставки и тогда естественно необходимо повторно оценить качество скорректированной настройки с целью убедиться, удовлетворяет ли она норме технической эффективности.
8. Значения положительной технической эффективности лежат в пределах единицы и близость их к единице является показателем высшего технического качества, но не абсолютного. Принципиально при единичном значении технической эффективности качество защиты является абсолютным, т.к. в этом случае нет никаких потерь, однако данное значение эффективности практически недостижимо (какое-либо из контролируемых, тем более неизвестных свойств ДЗ не достигнуто в требуемом объеме). Потому представленные критерии технической эффективности и формулы их вычисления могут быть только относительными показателями качества настройки ступеней ДЗ. В этом их ограниченность, но тщетны попытки найти однозначный критерий абсолютного качества, т.к. с потребительской точки зрения задача оценки качества ДЗ является многокритериальной.
9. Разработанные критерии настройки ступеней ДЗ на базе технического эффекта и относительной оценки качества данной настройки в виде технической эффективности вполне практически приемлемы и целесообразны для внедрения при проектировании и наладке ДЗ линий и трансформаторных элементов электрических сетей, т.к. повысят производительность проектно-наладочных работ и могут являться аппаратом оценки выбора и внедрения производимой аппаратуры. Вполне приемлемыми при этом являются рекомендуемые варианты настройки вторых ступеней ДЗ линий, исходя из чувствительности, с использованием разработанных критериев определения вероятностей излишних действий и их минимизации, что существенно позволяет сократить трудовые и временные ресурсы проектировщиков. Разработанный алгоритм определения и минимизации излишних действий резервирующих ступеней ДЗ позволяет впервые объективно выбрать вариант выдержки времени в электрических сетях с обходными связями. В отличие от экспертно-руководящего метода требующего знания коэффициентов токораспределения при расчетах уставок вторых и резервирующих третьих ступеней, что при обходных связях в сети весьма сложно, рутинно и затратно, при вычислении вероятностей излишних действий коэффициенты токораспределения не используются, а уставки принимаются простейшим путем, исходя из чувствительности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
