Лысенко Василий Владимирович

Факультет: Электротехнический

Специальность: Электрические станции

Тема магистерской работы: Разработка сканера-анализатора переходных процессов в контуре нулевой последовательности распределительной сети 6 кВ электростанций

Руководитель: доцент, к.т.н., Никифоров Андрей Петрович

Автореферат

1. Введение
2. Актуальность темы. Цель и задачи исследований
3. Содержание работы
4. Выводы
5. Перечень публикаций и материалов по теме выпускной работы

Введение

Замыкания на землю являются наиболее частым видом повреждений на объектах электроэнергетики. Их влияние на оборудование, безопасность людей и животных, на работу энергосистемы в целом, определяется режимом нейтрали.
        Режим нейтрали однозначно определяет средства, которые могут быть использованы для защиты или сигнализации от однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Поэтому нередка точка зрения, когда предпочтение отдается режимам, обеспечивающим высокую селективность действия защиты. В частности, режимам резистивного заземления нейтрали в распределительных сетях.
        Однако на выбор режима нейтрали влияют следующие факторы:

• характер, состав электрической сети и ее протяженность;
• условия для работы заземляющих устройств;
• потенциальный ущерб, который может быть причинен оборудованию;
• безопасность людей и животных;
• обеспечение бесперебойности энергоснабжения;
• стоимость устройств релейной защиты и автоматики (РЗА).

        Таким образом, выбор режима нейтрали является многофакторной задачей, не имеющей единственно правильного решения. Это подтверждается тем, что в мире, в сетях различных классов напряжений существует большое количество вариантов заземления нейтрали.
        Применение резонансного заземления целесообразно для бесперебойности энергоснабжения. Этот режим также оправдан, если линии электропередачи проходят в населенных районах, где высока вероятность поражения людей электрическим током и много разнообразных линий связи.

Актуальность темы. Цель и задачи Исследований

Защита от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ является актуальным вопросом, так как в настоящее время не существуют единого мнения в выборе устройств защиты от ОЗЗ при различных видах ОЗЗ и при различных режимах работы нейтрали сети.
        Основной задачей данного проекта является разработка нового устройства селективного поиска (далее СП). Устройство выполняется на микропроцессорной элементной базе. На первом этапе следует провести анализ существующих решений известных устройств СП (устройств защиты от ОЗЗ). Как правило, все защиты работают по принципу «сигнал». Проектируемое устройство может работать как на отключение, так и на сигнал.
        Результатом работы является многофункциональная и универсальная программа для моделирования переходных процессов в системах с.н. 6-10 кВ электростанций.
        Результаты работы могут быть использованы для анализа переходных процессов в любых системах питания и с любым составом и количеством двигателей, генераторов, систем.

Содержание работы

Применяется структурно-лингвистический метод определения сути процессов. Метод основан на аналогии между структурой объектов и синтаксисом языка. В рамках этого метода считается, что объекты состоят из соединенных подобъектов так же, как фразы и предложения строятся путем соединения слов, а слова составляются из букв. Первичные информационные датчики формируют терминальные символы (ТС). Совокупность правил формируют нетерминальные символы (НТС). На рисунке 1 приведено обобщенное дерево распознавания (или же структурная схема) индивидуальных устройств СП, а на таблице 1 иерархическая систематизация известных устройств селективного поиска (СП) (как видно из таблицы, направление развития устройств прослеживается от верхнего левого угла до правого нижнего угла).

Рисунок 1 – Обобщенное дерево распознавания устройств СП

Таблицa 1 – Иерархическая систематизация устройств СП

	Селективность
Б л о к и р о в к а	Kб\Kс	0	8, 10	20	30	38, 40	48	67	11 2	18 4	18 9	21 4	22 7	24 1	26 6	29 6	35 1
	8, 10		[A]					[Б]					[B]
	28, 35									[Г]		[Д]
	42															[Е]
	55				[Ж]	[З]
	65, 66	[И]												[К]	[Л]
	72					[М]
	90, 92			[Н]											[О]
	127										[П]
	135, 137					[Р]	[С]
	171								[Т]
	199																[Я]

Примечания:
[А] – «УСЗ2/2» (ЧЭАЗ, 1998 г.), «АПСЗЗЗ», Терм. МТЗ ненапр., «РТЗ50», «РТЗ51», P_N=2, K_Σ=20, K_ЕФ=0,036
[Б] – «ЗЗП-1М», «ЯРЭ-2201», P_N=5, K_Σ=77, K_ЕФ=0.14
[В] – «РНМ-03», P_N=9, K_Σ=237, K_ЕФ=0,43
[Г] – «БОГД-1», P_N=8, K_Σ=237, K_ЕФ=0,43
[Д] – «САФ-1», P_N=8, K_Σ=259, K_ЕФ=0,47
[Е] – «ЗЗМ-3», P_N=10, K_Σ=321, K_ЕФ=0,58 (Дударев Л. Е., 1991 г. )
[Ж] – «ЦАП1», Терм. МТЗ направ., P_N=4, K_Σ=85, K_ЕФ=0,15 (Цапeнко Е. Ф., 1986 г.)
[З] – «ЗЗН», P_N=6, K_Σ=95, K_ЕФ=0,17 (ЧЭАЗ, 1998 г.)
[И] – «Земля в сети», P_N=2, K_Σ=65, K_ЕФ=0,12
[К] – «Импульс», P_N=11, K_Σ=307, K_ЕФ=0,56 (Шуин В. А. Гусенков А. В., 1990 г.)
[Л] – «КЗЗП», P_N=12, K_Σ=332, K_ЕФ=0,6 (Дударев Л. Е., 1994 г.)
[М] – «ИМФ10», P_N=6, K_Σ=110 K_ЕФ=0,2 (ЗАО «РАДИУС Автоматика», 2002 г.)
[Н] – «SPAC», P_N=6, K_Σ=112, K_ЕФ=0,2
[О] – «УЗС-01», P_N=10, K_Σ=356, K_ЕФ=0,65 (Шуин В. А,Гусенков А. В., 1990 г.)
[П] – «ПЗЗМ1М», P_N=13, K_Σ=316, K_ЕФ=0,57 (Никифоров А. П., 1998 г.)
[Р] – «MiCom», P_N=8, K_Σ=175, K_ЕФ=0,32
[С] – «Сириус2Л», P_N=9, K_Σ=185, K_ЕФ=0,34 (ЗАО «РАДИУС Автоматика», 2002 г.)
[Т] – «Спектр», P_N=10, K_Σ=283, K_ЕФ=0,51
[Я] – «Обобщенный», P_N=25, K_Σ=550, K_ЕФ=1

На рисунке 2 приведено обобщенное дерево распознавания централизованных устройств СП, а также их иерархическая систематизация (таблица 2).

Рисунок 2 – Обобщенное дерево распознавания централизованных устройств СП

Таблица 2 – Иерархическая систематизация централизованных УСП

	Селективность
Б л о к и р о в к а	Kб\Kс	20	25	75	91	110	125	135	175	251	367
	0			[A]
	70	[Б]							[B]
	85		[Г]	[Д]
	100						[Е]
	111									[Л]
	115					[Ж]
	126				[З]
	180							[И]
	291										[Я]

Примечания:
[А] – «УСЗ-3М», P_N=2, K_Σ=75, K_ЭФ=0,11.
[Б] – «Земля в сети», P_N=3, K_Σ=90, K_ЭФ=0,14.
[В] – «ИМФ10Т», P_N=7, K_Σ=245, K_ЭФ=0,37 (ЗАО «РАДИУС Автоматика», 2002 г.).
[Г] – «Терм МТЗ ненапр.», «АПСЗЗЗ», P_N=2, K_Σ=110, K_ЭФ=0,17.
[Д] – «Терм. МТЗ направ.», P_N=2, K_Σ=160, K_ЭФ=0,24.
[Е] – «КДЗС2», «ЦНУС», P_N=7, K_Σ=255, K_ЭФ=0,39.
[Ж] – «MiCom», P_N=5, K_Σ=225, K_ЭФ=0,34.
[Л] – «МАУС», P_N=9, K_Σ=362, K_ЭФ=0,55.
[З] – «SPAC», P_N=6, K_Σ=112, K_ЭФ=0,2.
[И] – «КЗЗП», P_N=7, K_Σ=315, K_ЭФ=0,48 ( Дударев Л.. Е., 1994 г.).
[Я] – «Обобщенный» P_N=20, K_Σ=658, K_ЭФ=1.

Анализ практической работы различных устройств СП поврежденного участка в реальных условиях распределительной сети напряжением 6-35 кВ показывает неустойчивость работы устройств. К неустойчивости работы относится групповое срабатывание нескольких устройств, несрабатывание или блокирование устройств, неселективное срабатывание устройств поврежденного и неповрежденного участков сети и так далее. Также на устойчивость работы влияют случаи отсутствия четкого подтверждения появления стихийного пробоя изоляции фазы на землю дальнейшим выраженным изменением режима работы сети.
        Исследования устройств селективного поиска (СП) в САПР «OrCAD» с использованием реальных высокочастотных файлов показывает наличие неустойчивости работы устройств СП, которая проявляется несмотря на то, что устройства совершенствуются как в плане увеличения числа правил селективности Рсел, так и правил блокировки Рбл. К неустойчивости работы относится групповое срабатывание нескольких устройств, несрабатывание или блокирование устройств, неселективное срабатывание устройств поврежденного и неповрежденного участков сети и так далее. Также на устойчивость работы влияют случаи отсутствия четкого подтверждения появления стихийного пробоя изоляции фазы на землю дальнейшим выраженным изменением режима работы сети. Исследования показывают, что сложность сигнальной информации и многообразие смысловой ситуаций на входах устройств СП «рано или поздно» приведут к устойчивой работе «главного» критерия селективности или блокировки. Даже увеличение критериев до 2-3-х существенно не улучшает ситуацию. Построение устройств централизованного СП (ЦСП) подвержено такой же неустойчивой работе. Недостижение устойчивости работы устройствами ЦСП изучать технически гораздо сложнее, поскольку они работают по относительному способу обработки информации. Из известных устройств на практике большую устойчивость работы показали устройства СП, работающие по относительному способу сравнения высокочастотных составляющих переходных процессов при условии, что распознавание и принятие решения об отключении поврежденного участка выполняется человеком.
        Анализ устройств СП, ЦСП обосновывает добавление дополнительных информационных датчиков, формирующих выходной результат иначе, с таким расчетом, чтобы при отсутствии уверенной работы одних информационных датчиков, другие позволяли бы продолжать устойчивую работу устройств СП, ЦСП и всей системы автоматической стабилизации нормального режима (АСНОР). На основе проведенных исследований предлагается следующая структурно-логическая схема нового устройства СП (рис.3).

Рисунок 3 – Структурно-логическая схема предлагаемого устройства СП

В схеме реализованы новые критерии селективности (подсчет площадей импульсов и сравнение их по относительному критерию). Новое устройство СП является многофункциональным устройством. Работа всей схемы описана в дипломном проекте.
        В САПР «OrCAD» рассмотрено построение информационных датчиков, устройств, которые работают на основе подсчета площадей разрядно-зарядных высокочастотных составляющих (РВЧС и ЗВЧС). Эти составляющие возникают в начале каждого пробоя ОЗЗ и имеют сходный характер развития в условиях всех типов заземления нейтрали. Такие терминальные символы (ТС) работоспособны во всех типах заземления нейтрали. ТС «∫СЧС3i0» определяет площадь ЗВЧС участка сети. Эта площадь сравнивается с площадями других участков сети. Разрабатываемый информационный датчик формирует и другие ТС, например селективные ТС «ФД∫СЧС3i0», ТС «ФДСЧС», интегральные нетерминальные ТС (НТС) «ФД∫СЧС3i0». В виду того, что величины РВЧС и ЗВЧС могут быть очень малы или отсутствовать в случаях пробоев изоляции вблизи минимума напряжения поврежденной фазы эти ТС должны применяться вместе с другими ТС. Эти датчики могут быть реализованы на микропроцессоре ARM7.
        Особое внимание уделено цифровой фильтрации с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтрация). Применение цифровой КИХ-фильтрации дает значительную экономию в части аппаратной реализации устройства. В САПР «MathLab» (FDATool, sptool) получены коэффициенты цифрового КИХ-фильтра по методу окна Кайзера, которые используются далее в программной реализации цифрового фильтра. с В САПР «OrCAD» получены осциллограммы подсчета площадей разрядных составляющих входных сигналов (координат) поврежденного и неповрежденного участков сети синтезированными схемами устройства СП (см. рис.4).

Рисунок 4 - Cеть ТЭЦ завода, I_C =140 A. «Перемежающееся» ОЗЗ.

Анимация:
        количество кадров: 6;
        количество циклов повторения: 7;
        объем: 90,4 КВ;

Моделирование работы ПЗЗМ 1М для сигналов осциллограммы 1s-17081135-05. Сигналы поврежденного и неповрежденного присоединения сети. Частота ВЧС i₀=3.3 кГц. Амплитуда ВЧС 3i₀=3 В. Величина первой полуволны НЧС 3u₀=105 В (действующих). Правильное формирование ВЧС 3i₀, 3u₀ (см. t1). Селективное взведение реле (см. t2). Срабатывание нижнего и верхнего порогов НЧС-канала 3u₀ (см. t3). Правильная выдача сигнала о срабатывании реле (см. t5) в момент завершения задержки срабатывания реле ОВЗ2=1500 мс (см. t4).

Выводы

• Многообразие, неустойчивость, отсутствие ярко выраженного, гарантированного, единого критерия наличия переходных процессов, к которым приводят стихийные свойства однофазного повреждения изоляции, крайне ограничивают область применения «простых» устройств релейной защиты. Ограничения тем больше, чем меньше информационных критериев закладываются в структурную схему устройств. Иначе говоря, на входах устройств «рано или поздно» появляются сигналы переходных процессов, связанные с ОЗЗ, но не имеющие ярко выраженных информационных составляющих «главных» критериев срабатывания устройства.
          Можно предложить задействовавать в устройствах СП «дополнительные» информационные составляющие в случаях отсутствия «главных» информационных составляющих, хотя это предложение устремляет решение задачи в сторону «усложнения» устройств СП.
• Анализ логической части «простых» устройств СП позволил показать целый ряд существенных недостатков в работе устройств СП. Этих недостатков вполне достаточно, чтобы привести к неустойчивой работе устройств СП. Но, устройства СП включают в себя подготовительную часть, которая поставляет информацию для логической части. И эта подготовительная часть также показала ряд существенных недостатков.
• Показаны проблемы по обеспечению снижения риска распознавания при функционировании устройств СП, синтезированных на основе методов перебора присоединений сети, повышения фильтрующих свойств входных координат 3uO ,3iO, знакового и временного методов.
• Повышение устойчивости работы устройств СП за счет совершенствования только критериев блокировки от неправильных действий приводит к увеличению числа невыдачи сигнала при наличии неопознаваемых переходных процессов в сети. При отсутствии дополнительного контроля в эксплуатации устройств СП это приравнивается к отказам работы устройств.
• «Простые» устройства СП после установки в реальную сеть вынужденно оказываются перед невозможностью структурной схемы устойчиво определить текущую смысловую ситуацию, отличную от «простой». Работа устройства СП естественно будет происходить по одному из сценариев – наложение неопределяемых смысловых областей между собой и с определяемыми смысловыми областями приведет либо к выдаче выходного сигнала, либо к невыдаче. Таким образом, можно говорить о несоответствии структурирования смысловой информации «простыми» устройствами СП реальной «сложности» решаемой задачи. Описанная выше ситуация пополняет список причин, которые могут приводить к групповым срабатываниям устройств защиты и управления КНПС.
• Показано существование результирующего сигнала о нечетком распознавании поврежденного участка КНПС. Замалчивание или неэффективное использование в устройствах СП этого сигнала приводит к излишней уверенности в селективности устройств СП и недоиспользованию имеющейся информации во входных координатах 3uO, 3iO. Особенно явно это расхождение проступает при смене обучающих, контролирующих выборок аварийных файлов ОЗЗ на множество реальных ситуаций сочетания символов 3uO , 3iO в различных по сложности высоковольтных распределительных сетях.
• Устройства СП, построенные на основе импульсного метода, изначально не являющегося стопроцентно селективным, возможно далее совершенствовать, опираясь на лингвистический метод распознавания образов.

Перечень публикаций и материалов по теме выпускной работы

1. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640с.
2. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. — Москва: Энергоатомиздат, 1989. — 490 с.
3. Никифоров А.П. Задачи защиты и управления, решаемые терминалом контура нулевой последовательности сети/ ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»// «Львовская политехника». – № 637. – 2009.
4. Никифоров А.П. Выбор между «простыми» и «совершенными» конструктивными решениями, формирующими объект управления и защиты, структурно-лингвистическим методом// Вестник Кременчугского государственного политехнического университета им. Михаила Остроградского. – №3(56). – часть 2. – 2009.
5. Иванов И.А./Тезисы// Разработка селективной системы относительного действия для сетей собственных нужд электростанций на основе сравнения разрядных составляющих. - ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет». – 2009
6. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования // Изд. Солон-Пресс. – 2004.
7. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций (учебное пособие). – РВА ДонНТУ, Донецк – 2002. – 136 с.
8. Циркуляр Ц-01-88. О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС. – М., 1988. – 7 с.
9. Чернобровов Н.В. Релейная защита/ Учебное пособие. – Москва. – Энергия.
10. А.Ф.Дьяков, Н.И.Овчаренко Микропроцессорная релейная защита и автоматика электроэнергетических систем.