Тема: Вероятностно-статистический критерий эффективности настройки токовых релейных защит и методика ее повышения

Метрические релейные защиты (РЗ), повсеместно применяемые в электроэнергетике в настоящее время, являются быстродействующими системами контроля коротких замыканий (КЗ) в оборудовании и электрических сетях энергосистем и подавления данных повреждений путем отключения места КЗ с помощью силовых высоковольтных коммутаторов (выключателей), секционирующих сеть.
В связи с метрическим характером функционирования РЗ научнотехнические задачи в этой области определяются главным образом метрологией средств РЗ, т.е. релейными измерительными органами. Этим вопросам в основном посвящаются новые разработки устройств и систем РЗ. Совершенствование в этом направлении весьма преуспело при разработке РЗ на всех элементных базах: электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной. Так, в современных цифровых дифференциальных РЗ оборудования и дистанционных РЗ линий благодаря найденным метрологическим решениям (торможение, конфигурация характеристик срабатывания в комплексной плоскости) удалось практически полностью (дифференциальные защиты) или частично (дистанционные РЗ) обеспечить ликвидацию потерь функционирования в виде отказов срабатывания, излишних и ложных действий, т.е. обеспечить 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 путем реализации обмена информацией между пространственно-удаленными датчиками тока и комплектами аппаратуры РЗ на концах линий, как и в дифференциальных защитах оборудования не только в цифровой реализации, но и любой другой также удалось достигнуть подобных показателей.
Данные пути достижения режимно-коммутационной независимости функционирования РЗ несомненно должны применяться и в дальнейшем, однако 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 режимнокоммутационного 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. 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.
В связи с изложенным актуальной является задача изучения, разработки математического описания для расчета потерь (неправильных действий) и технической эффективности функционирования ступенчатых РЗ в зависимости от уставок, концентрирующих в своих значениях зависимость от режимнокоммутационного состояния сети, также алгоритмов и программ определения оптимальных значений уставок, разработки практических способов реализации наилучшей настройки РЗ или близких к ней.
Анализ потерь РЗ показал, что потери следует подразделить на составляющие:
1) непосредственно связанные с уставками, зависящими от режимнокоммутационного состояния сети и видов КЗ, в дальнейшем называемых функционально-метрологическими (или функциональными, если не рассматривать погрешности измерения), т.е. обусловленных как метрологическим функционированием аппаратуры, так и функционированием сети (без учета аппаратурных отказов и других радикальных воздействий: ошибок персонала, стихийных явлений);
2) опосредованно связанные с уставками (аппаратурные отказы компонентов схем и конструкций каналов РЗ, ошибки персонала при настройке или профилактике, стихийные явления, приводящие к физическому изменению параметров канала и, как следствие, уставки);
3) не связанные с уставками, т.е. повреждения аппаратуры, действия персонала и стихийные явления, приводящие к изменению не каналов функционирования, а только инфраструктуры РЗ (изоляции, корпуса, аппаратуры).
В данной работе представлены разработки и исследования названных вопросов для ступенчатых токовых релейных защит высоковольтных электрических сетей от междуфазных и однофазных КЗ с учетом потерь непосредственно связанных с уставками, т.е. функционально-метрологических потерь, 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 релейной защиты должны быть максимально надежны, персонал должен быть квалифицированный, от стихийных действий невозможно спастись.
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 и неполнота 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 срабатываниям, отказам в срабатывании).
Значительный вклад в решение вопросов разработки и совершенствования методов оценки надежности, эффективности функционирования и настройки РЗА, внесли следующие отечественные ученые: Беркович М.А., Фабрикант В.Л., Кулиев Ф.А., Смирнов Э.П., Рипс Я.А., Барзам А.Б., Гук Ю.Б., Зейлидзон Е.Д., Манов Н.А., Федосеев А.М., Гельфанд Я.С., Манусов В.З., Каринский Ю.И., Якоб Д., Шалин А.И., Манов Н.А., Мёллер К.Ю., Коновалова Е.В., Нудельман Г.С., Гуревич В.И., Шнеерсон
Э.М., Куликов А.Л. и др.
Проанализировав работы вышеуказанных авторов и предлагаемые ими методы и математические выражения, необходимо отметить, что большая часть работ направлена на оценку и повышение либо сугубо аппаратурной надежности, либо интегральной эффективности, учитывающей все причины потерь функционирования (неправильных действий) РЗА: аппаратурные отказы, ошибки эксплуатационного и монтажного персонала, влияние внешней среды, неблагоприятная электромагнитная обстановка, неправильная настройка и др.
Ввиду отмеченного 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 (использование метода Монте-Карло при большом числе входных или исходных данных), а в ряде случаев невозможности получения законов распределения вероятностей электрических величин, являющихся параметрами реагирования РЗА.
В соответствии с вышеизложенным, работы в области оценки надежности, качества функционирования и повышения эффективности РЗА в целом, в настоящее время продолжают оставаться актуальными.
Цель работы и задачи исследования
Целью диссертационной работы является обоснование и разработка критерия технической эффективности (эффективности настройки) токовых ступенчатых РЗ высоковольтных линий, учитывающего функциональнометрологические потери РЗ, применение данного критерия для оценки качества работы разных каналов РЗ и наилучшей их настройки.
Для достижения поставленных целей в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Изучение характеристик токовых релейных защит.
2. Обзор существующих способов оценки качества функционирования и настройки релейной защиты.
3. Изучение случайного характера процессов функционирования сети и аппаратуры РЗ, выбор и обоснование законов распределения вероятностей электрических величин в рабочих режимах и при коротких замыканиях (КЗ).
4. Применение существующих и разработанных вероятностных методов для определения вероятностных характеристик редкостных событий (отказов срабатывания, излишних и разных видов ложных действий) по вероятностным характеристикам событий-состояний (КЗ, асинхронных, неполнофазных, рабочих режимов, бросков токов намагничивая) с достаточно представительной статистикой.
5. Разработка математических формул и алгоритмов для расчета составляющих технической эффективности каналов токовых РЗ: вероятностей потенциального эффекта и потерь (неправильных действий: ложных, излишних действий и отказов срабатывания).
6. Обобщенный совместный режимно-коммутационный анализ сети и технической эффективности ступенчатых токовых защит линий.
7. Разработка и применение методики и программы для расчетов и оптимизации настройки ступенчатых токовых РЗ.
8. Расчет и оптимизация настройки РЗ реальной линии по полному критерию технической эффективности и его составляющим.
Методы исследований
При проведении работы использованы фундаментальные законы теоретических основ электротехники, методы математического анализа, математической статистики, теории вероятностей, объектно-ориентированного программирования, симметричных составляющих. Для проведения экспериментально-расчетных исследований использовались промышленные программы (АРМ СРЗА, ТКЗ 3000, Дакар-99), математические пакеты (Mathcad, MATLAB) и система программирования DELPHI 7
Достоверность результатов исследований подтверждается строгостью теоретического обоснования, корректным использованием вероятностностатистических методов, результатами теоретических и практических исследований.
Новизна результатов
В работе содержатся следующие новые научные результаты:
1. Предложено в существующей классификации свойств функционирования релейной защиты по надежности, техническому совершенству и эффективности функционирования выделить в последнем частное свойство, названное технической эффективностью, которое определяется режимно-коммутационными состояниями сети и метрологическими возможностями аппаратуры и позволяет оценить эффективность настройки с использованием вероятностной меры.
2. На основе существующих вероятностно-статистических методов и разработанных формул и алгоритмов сформировано математическое описание критерия технической эффективности и его составляющих (потенциальный эффект и потери отказов срабатывания, излишних и ложных действий) для всех каналов ступенчатых фазных и фильтровых токовых релейных защит.
3. Предложено и обосновано для вычисления законов распределения вероятностей электрических величин использование метода селекции границ интервалов данных и квантилей порядков 0,9987 и 0,0013 искомых нормально распределенных электрических величин при коротких замыканиях, в рабочих и анормальных режимах.
4. Представлен режимно-коммутационный анализ технической эффективности токовой ступенчатой релейной защиты линии в сетевом районе высоковольтных линий, позволивший разработать рекомендации и методику вероятностно-статистической настройки каждой ступени.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Предложен критерий технической эффективности для оценки эффективности настройки релейной защиты, учитывающий вероятностный характер параметра реагирования.
2. Представлены методика и рекомендации вероятностно-статистического выбора уставок токовых ступенчатых защит, позволяющие повышать эффективность настройки, ускорять и устранять часть рутинных расчетов по согласованиям второй и третьей ступени, а также обосновывать выбор временной уставки резервирующей ступени в сложно-замкнутых сетях с обходными связями.
3. Разработаны алгоритмы и компьютерная программа для расчета технической эффективности токовой защиты нулевой последовательности, реализующие предложенную методику. Программа имеет профессиональноориентированный интерфейс, позволяет строить графики технической эффективности, посредством которых можно получить область наиболее эффективных уставок и оценить робастность релейной защиты.
4. Методика и программа могут использоваться в вузах электроэнергетического профиля, соответствующих проектных и научноисследовательских организациях.
5. Проведена апробация разработанного критерия технической эффективности, рекомендаций, методики и программы на реальных объектах 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, 2008 г., 2010 г.); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009-2011 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации
По направлению диссертационной работы автором опубликовано 22 работы, в том числе: 3 статьи в рецензируемых периодических изданиях по перечню ВАК; 17 статей в виде материалов докладов конференций; 1 патент на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 96 наименований и приложений, содержит 48 рисунков, 11 таблиц. Общий объем диссертации - 179 страниц. Нумерация формул, рисунков и таблиц в данной работе - двухзначная, отдельная для каждой главы (первая цифра указывает номер главы).
В завершение данного раздела, своим приятным долгом автор считает выразить благодарность научному руководителю А.В. Шмойлову и коллегам кафедры электроэнергетических систем, научно-исследовательской лаборатории моделирования электроэнергетических систем и других кафедр Энергетического института ТПУ, поддержка, советы и замечания которых сыграли не последнюю роль в подготовке настоящей работы: А.С. Гусеву, Ю.В. Хрущеву, Р.А. Вайнштейну, Ю.Н. Исаеву, А.О. Сулайманову
Купить

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:
1. Разработана классификация потерь РЗ, вызванных разными обобщающими причинами, влияющими на работу РЗ, которая позволила выделить функционально-метрологическую составляющую, обусловленную функционированием сети и метрологической погрешностью аппаратуры, и которая непосредственно связанна с уставками.
2. На основании данной классификации введен частный критерий технической эффективности, описывающий функционально-метрологическую составляющую потерь в рамках обобщающего и полного критерия эффективности функционирования, отображающего высшее свойство совершенства РЗ в иерархии от надежности через техническое совершенство к эффективности функционирования. Введенный частный критерий технической эффективности, в отличие от обобщающего критерия эффективности функционирования, позволяет непосредственно производить выбор и обоснование уставок каналов РЗ.
3. Учитывая случайный характер режимов и процессов в электроэнергетических системах, явная форма технической эффективности, в виде отношения разности потенциального эффекта и потерь к потенциальному эффекту, может быть представлена в двух вероятностных мерах: вероятностей интересующих событий (отказов в срабатывании, ложных и излишних действий, коротких замыканий) или параметров потоков их совершения. Ввиду того, что вероятность учитывает интересующие состояния после действие события (через математическое ожидание времени нахождения в каждом состоянии), она является более полной и поэтому предпочтительной к использованию характеристикой.
4. Установлено, что вероятности редких событий неправильных действий релейной защиты могут быть вычислены через их совмещения с достаточно статистически представительными событиями, как произведения соответствующих условных вероятностей потерь на вероятности представительных состояний. Благодаря применению разработанного прикладного метода селекции границ интервалов данных, условные вероятности событий могут быть рассчитаны практически точно. Данный подход обеспечивает учет режимно-коммутационных состояний и инфраструктуры сети, где установлена рассчитываемая защита. Таким образом, проблема вычисления вероятностей редких событий в настоящей работе оказалась решенной при расчете технического эффекта, технической эффективности и их составляющих.
5. Кривые технической эффективности каналов релейной защиты в зависимости от уставок позволяют объективно оценить целесообразность использования данного вида РЗ на автоматизируемом объекте. По наличию области уставок, обеспечивающих высокую техническую эффективность (близкую к 100 % или 1 о.е.), можно судить о робастности канала РЗ и произвести обоснованный выбор уставки исходя из требований селективности и чувствительности.
6. Предложенная методика выбора уставок вторых и третьих ступеней, позволяет устранить часть рутинных расчетов по их согласованиям с предыдущими ступенями линий, и тем самым значительно сократить трудовые и временные затраты проектировщиков. При обосновании выбора уставок по данной методике используется полный критерий технической эффективности или его составляющие (преимущественно вероятность излишних действий).
7. Использование критерия технической эффективности позволяет обосновать выбор временной уставки резервирующей ступени в сложнозамкнутых сетях с протяженными структурно-радиальными последовательностями элементов и обходными связями, когда существующим
путем это сделать не удается (выбор временной уставки по встречноступенчатому принципу приводит к недопустимо большой величине или вовсе невозможен при наличии обходных связей в сети).
8. Разработанная в соответствии с объектно-ориентированной парадигмой программирования компьютерная программа RPTEC позволяет производить все требуемые вероятностно-статистические расчеты. Ее использование совместно с существующими промышленными программами и комплексами расчета коротких замыканий и моделирования электроэнергетических систем позволяет ставить и решать задачи связанные с оценкой эффективности настройки каналов токовой защиты нулевой последовательности и оптимизацией уставок с помощью критерия технической эффективности (расчет технической эффективности для ступени РЗ, настроенной по стандартному или любому другому методу, построение кривых технической эффективности в зависимости от уставок, поиск оптимальных уставок исходя из максимума технической эффективности или минимума суммы потерь и отдельных составляющих данных потерь и др.).
9. Проведена апробация разработанных: математического описания технической эффективности, критерия технической эффективности для оценки функционирования ступеней токовой защиты нулевой последовательности и выбора их уставок, предлагаемой методики настройки РЗ. Установлено, что существующий экспертно-руководящий метод настройки токовых РЗ дает наилучший результат при наличии области оптимальных уставок, оцениваемой по графику технической эффективности (уставки, обеспечивающие эффективность близкую к 100 %). В других случаях, когда данная область имеет небольшой диапазон, имеются затруднения, связанные со сложностью и неоднозначностью выбора максимальных и минимальных режимов для обеспечения селективности и проверки чувствительности соответственно. Данное затруднение может быть преодолено с помощью разработанного критерия технической эффективности. Так, было показано, что вторую ступень ТЗНП линии 500 кВ СГРЭС-2 - Ильково, которая не может быть однозначно выбрана по экспертно-руководящему методу, можно настроить по предлагаемому критерию на величину 1706 А с технической эффективностью 99,7881744118 %.

Купить