Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит

Татьяна Стребкова

Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит

Статистика технологических нарушений в электрических сетях свидетельствует о более чем 5% случаев отказов по вине измерительных трансформаторов тока и напряжения. Одними из основных проблем традиционных измерительных трансформаторов являются остаточная намагниченность сердечника и наличие апериодической составляющей в первичном токе. Из-за этих явлений трансформаторы переходят в режим насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока. В связи с этим особого внимания заслуживает проблема обеспечения правильной работы быстродействующих защит в условиях насыщения традиционных измерительных трансформаторов, так как в режимах глубокого насыщения возникает искажение измеренного сигнала, и, как следствие, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию, что приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит. На сегодняшний день существует множество способов решения проблемы работы трансформаторов в режимах насыщения, начиная от использования сердечников, изготовленных из других материалов и другой конструкции, заканчивая постобработкой поступающего сигнала с вторичных выводов трансформаторов. Целью работы является разработка программного комплекса по определению момента насыщения и восстановлению сигнала тока на базе ПК LabView. Основные научные результаты состоят в следующем: 1. Произведен анализ существующих методов восстановления сигналов тока и на основе этого выбран наиболее оптимальный; 2. Исследован процесс аналогово-цифрового преобразования, проанализировано влияние помех на него и сделан вывод о недостаточной эффективности фильтрации входного сигнала; 3. Составлен алгоритм определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты; 4. Реализован предложенный алгоритм в среде LabView FPGA; 5. Произведен физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока, по результатам которого была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок; 6. Определены погрешности применяемой системы измерений, а именно, фазовая погрешность измерения и относительная некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений.

Энергетика

Дипломы

Вуз: Северо-Кавказский федеральный университет (ФГАОУ ВПО СКФУ)

ID: 5f47e224cd3d3e000176563c

UUID: 07e63e10-cab2-0138-22b4-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: около 4 лет назад

Просмотры: 64

15.28

Татьяна Стребкова

Северо-Кавказский федеральный университет (ФГАОУ ВПО СКФУ)

Комментировать 0

Рецензировать 1

Скачать - 2,1 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт Инженерный Кафедра Автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения Утверждена распоряжением по институту от «9» января 2020 г. № 01р/14-03 Допущена к защите «_____»__________________ 2020 г. Зав. кафедрой АЭСиЭ профессор, доктор технических наук Кононов Юрий Григорьевич __________________________________ (подпись зав. кафедрой) ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит (название дипломной работы / дипломного проекта) Рецензент: Сидоров Кирилл Александрович Выполнил (а): Стребкова Татьяна Владимировна (ФИО) (ФИО) главный специалист Службы студент(ка) 2 курса, группы ЭЭТ-м-о-18-1 электрических режимов Филиала АО направления подготовки 13.04.02 «СО ЕЭС» ОДУ Юга «Электроэнергетика и электротехника» (ученая степень, звание, должность) Направленность (профиль) Мониторинг и управление режимами электрических сетей на базе интеллектуальных информационноНормоконтролер: измерительных систем и технологий Мамаев Виктор Александрович очной формы обучения (ФИО) _______________________________________ канд. техн. наук, доцент кафедры АЭСиЭ (Подпись) (ученая степень, звание, должность) _________________________________ (Подпись) Руководитель: Мамаев Виктор Александрович (ФИО) Дата защиты «26» июня 2020 г. Оценка _________________________ канд. техн. наук, доцент кафедры АЭСиЭ (ученая степень, звание, должность) _______________________________________ Ставрополь, 2020 г. (Подпись)

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт Инженерный Кафедра Автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения Направление подготовки «Электроэнергетика и электротехника» Направленность (профиль) Мониторинг и управление режимами электрических сетей на базе интеллектуальных информационно-измерительных систем и технологий «УТВЕРЖДАЮ» Зав. кафедрой ______________Ю.Г. Кононов подпись, инициалы, фамилия «19» января 2020 г ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ (ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ) Студент Стребкова Татьяна Владимировна группа ЭЭТ-м-о-18-1 фамилия, имя, отчество 1.Тема Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит Утверждена распоряжением по институту от «9» января 2020 г. № 01-р/14-03 2.Срок представления проекта к защите «26» июня 2020 г. 3.Исходные данные для проектирования Материалы преддипломной практики Содержание пояснительной записки: 4.1_Методы восстановления сигналов_____________________________________________ 4.2_Применение синхронизированных векторных измерений _________________________ 4.3_Разработка алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты______________________________________________ 4.4 _Реализация алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока на базе ПК LabView _______________________________________________________ 5 Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)_______ Презентационный материал по теме ВКР Дата выдачи задания 17.01.2020 Руководитель проекта В.А. Мамаев подпись Консультанты по разделам инициалы, фамилия П.А. Звада подпись Задание принял к исполнению инициалы, фамилия Т.В. Стребкова подпись, дата Ставрополь, 2020 г. инициалы, фамилия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт Инженерный Кафедра Автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения Направление подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» Направленность (профиль) Мониторинг и управление режимами электрических сетей на базе интеллектуальных информационно-измерительных систем и технологий КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН Фамилия, имя, отчество (полностью) Стребкова Татьяна Владимировна Тема ВКР Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит Руководитель Мамаев Виктор Александрович Консультанты: П.А. Звада № Наименование этапов выполнения выпускной квалификационной работы Срок выполнения работы Примечание 1 Выбор темы выпускной квалификационной работы. Получение задания ВКР. Сбор информации по теме ВКР. 28.01.2020 г. Начало проектирования 2 Методы восстановления сигналов 15.02.2019 г. 3 Применение синхронизированных векторных измерений Разработка алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты Реализация алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока на базе ПК LabView Графическая часть Подготовка документов ВКР к защите Предзащита Защита ВКР 4 5 6 7 8 9 01.03.2019 г. Готовность раздела 1 настоящей работы Готовность раздела 2 настоящей работы 20.05.2020 г. Готовность раздела 3 настоящей работы 13.05.2019 г. Готовность раздела 4 настоящей работы 16.06.2020 г. 17.06.2020 г. 18.06.2020 г. 26.06.2020 г. Готовность ВКР – – – Руководитель ___________________________________________В.А. Мамаев подпись. Ф.И.О. Зав. кафедрой__________________________________________Ю.Г. Кононов подпись. Ф.И.О. «19» января 2020 г.

Выпускная квалификационная работа содержит 84 стр., 41 илл., 5 табл. Ключевые слова: методы восстановления сигналов, релейная защита, синхронизированные векторные измерения, измерительные трансформаторы тока, насыщение магнитной системы, сегментация сигнала, алгоритм двух выборок. Объектом исследований являются измерительные трансформаторы тока и напряжения и устройства РЗА. Целью работы является разработка программного комплекса по определению момента насыщения и восстановлению сигнала тока на базе ПК LabView. В магистерской диссертации решены следующие основные задачи: 1. Анализ существующих методов восстановления сигналов тока и выбор наиболее оптимального; 2. Учет влияния помех на корректность восстановления сигнала; 3. Разработка и программная реализация алгоритма определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты; 4. Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока; 5. Оценка погрешности применяемой системы измерений. ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 44

Содержание Введение ................................................................................................................... 8 1 Методы восстановления сигналов .................................................................... 11 1.1 Причины возникновения искажения формы и величины сигналов тока или напряжения ............................................................................................................ 12 1.2 Анализ проблемы некорректной работы устройств релейной защиты вследствие насыщения измерительных трансформаторов .............................. 16 1.3 Влияние помех на измерения и восстановление сигнала .......................... 25 1.4 Обзор и анализ существующих методов восстановления сигналов .......... 31 Вывод к 1 главе...................................................................................................... 36 2 Применение синхронизированных векторных измерений (СВИ) ................ 38 2.1 Технология СВИ .............................................................................................. 39 2.2 Идентификация факта насыщения трансформаторов тока на основе данных СВИ ......................................................................................................................... 44 2.3 Использование данных УСВИ в качестве исходной информации для резервных защит .................................................................................................... 54 Вывод ко 2 главе.................................................................................................... 58 3 Разработка алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты ................................................... 60 3.1 Определение интервалов правильной трансформации сигнала................. 61 3.2 Составление алгоритма восстановления сигнала на основе алгоритма двух выборок ................................................................................................................. 63 3.3 Разработка надстройки для сервера СВИ .................................................... 65 Вывод к 3 главе...................................................................................................... 68 4 Реализация алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока на базе ПК LabView ....................................................................... 70 4.1 Создание программы и ее отладка ................................................................ 71 4.2 Оценка реализованного алгоритма на соответствие требованиям по быстродействию и селективности работы .......................................................... 72 ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 5

4.3 Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока ........................................................................................................... 72 4.4 Оценка погрешности применяемой системы измерений ............................ 75 Вывод к 4 главе...................................................................................................... 75 Заключение ............................................................................................................ 77 Список использованных источников .................................................................. 79 ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 6 6

Список принятых сокращений СВИ – синхронизированные векторные измерения УСВИ – устройство синхронизированных векторных измерений ТТ – трансформатор тока ТН – трансформатор напряжения РЗА – релейная защита и автоматика ПК – программный комплекс ЛЭП – линия электропередачи ЭЭС – электроэнергетическая система КЗ – короткое замыкание РДУ – региональное диспетчерское управление ПС – подстанция ТСН – трансформатор собственных нужд АТ – автотрансформатор АЭС – атомная электростанция НТД – научно-техническая документация ЦОС – цифровая обработка сигналов ЦИО – цифровой измерительный орган ЕЭС – единая энергетическая система РАС – регистратор аварийный событий ДЦ – диспетчерский центр ЦУС – центры управления сетями ТИ – телеизмерения СМПР – система мониторинга переходных режимов ИЭУ – интеллектуальное электронное устройство МИП – многофункциональные измерительные преобразователи ДЗШ – дифференциальная защита шин 7

Введение Современные системы релейной защиты активно используют цифровую обработку аналоговых сигналов, однако, несмотря на применение оптических трансформаторов тока, традиционные трансформаторы тока и напряжения все ещё занимают основную долю измерительных трансформаторов. Статистика технологических нарушений в электрических сетях свидетельствует о более чем 5% случаев отказов по вине измерительных трансформаторов тока и напряжения [1]. Одними из основных проблем традиционных измерительных трансформаторов являются остаточная намагниченность сердечника и наличие апериодической составляющей в первичном токе. Из-за этих явлений трансформаторы переходят в режим насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока. В связи с этим особого внимания заслуживает проблема обеспечения правильной работы быстродействующих защит в условиях насыщения традиционных измерительных трансформаторов, так как в режимах глубокого насыщения возникает искажение измеренного сигнала, и, как следствие, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию, что приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит. На сегодняшний день существует множество способов решения проблемы работы трансформаторов в режимах насыщения, начиная от использования сердечников, изготовленных из других материалов и другой конструкции, заканчивая постобработкой поступающего сигнала с вторичных выводов трансформаторов. Учитывая то, как быстро развивается и внедряется микропроцессорное оборудование и вместе с ним разработка программных комплексов и надстроек, наиболее актуальным будет рассмотрение указанных проблем в качестве постобработки вторичного сигнала измерительных трансформаторов. ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8 8

Целью работы является разработка программного комплекса по определению момента насыщения и восстановлению сигнала тока на базе ПК LabView. Объектом исследования являются измерительные трансформаторы тока и напряжения и устройства РЗА. Предметом исследования – явление искажения сигналов тока и напряжения измерительных трансформаторов. В выпускной квалификационной работе для достижения поставленной цели решены следующие основные частные научные задачи: 1. Анализ существующих методов восстановления сигналов тока и выбор наиболее оптимального; 2. Учет влияния помех на корректность восстановления сигнала; 3. Разработка и программная реализация алгоритма определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты; 4. Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока; 5. Оценка погрешности применяемой системы измерений. Основными применяемыми методами исследования в работе являются: теоретический анализ литературы по теме исследования, метод сравнительного анализа, математическое и физическое моделирование процесса, экспериментальный метод, включающий проведение физического эксперимента, анализ и обобщение полученных данных. Основные научные результаты состоят в следующем: 1. Произведен анализ существующих методов восстановления сигналов тока и на основе этого выбран наиболее оптимальный; 2. Исследован процесс аналогово-цифрового преобразования, проанализировано влияние помех на него и сделан вывод о недостаточной эффективности фильтрации входного сигнала; ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 9 9

3. Составлен алгоритм определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты; 4. Реализован предложенный алгоритм в среде LabView FPGA; 5. Произведен физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока, по результатам которого была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок; 6. Определены погрешности применяемой системы измерений, а именно, фазовая погрешность измерения и относительная некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений. ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 10 10

1 МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Из Лист № документа Подпись м Дипломник Стребкова Т.В. Руководи т. Мамаев В.А. Дата Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит Лит Лист Листов М ЭЭТ-м-о-18-1 11

1.1 Причины возникновения искажения формы и величины сигналов тока или напряжения Как всем известно, вся энергосистема работает как единый цельный живой организм, каждый элемент которого взаимосвязан с другими и непрерывно оказывает на них воздействие. Малейшее изменение величины нагрузки или ее характера имеет определенные последствия, например, приводит к небалансам мощности и отклонениям частоты электрического тока. Как бы мы ни стремились к идеалу при планировании режимов потребления и генерации, всегда будут иметь место отклонения. Вопрос только в их величине. Так же дело обстоит и с передаваемыми сигналами тока и напряжения. Значительная часть нагрузки имеет нелинейный характер, что является первопричиной появления высших гармоник в электрических сетях. Высшие гармоники – это синусоидально изменяющиеся волны, суммирующиеся с сигналами тока/напряжения и кратные по частоте 50 Гц. Именно они искажают форму сигналов тока и напряжения всплесками, провалами и постоянным присутствием шумов. Источником высших гармоник могут являться не только нелинейные нагрузки, но и переходные процессы в энергосистеме. Любая коммутация, переключение, короткое замыкание – это все вызывает своего рода переходный процесс, а значит и появление высших гармоник. Коммутации оказывают разное влияние на уровни напряжений различных гармоник. На уровень высших гармоник могут оказывать влияние различные факторы, например, длина линий электропередач (ЛЭП)), число цепей ЛЭП, мощность автотрансформаторов, наличие конденсаторов, мощность активной нагрузки, наличие фильтров [2]. Высшие гармоники оказывают негативное влияние на системы электроснабжения, которое выражается в увеличении напряжений и токов вследствие возникновения резонансов на частотах гармоник; снижении 12

эффективности преобразования процессов и генерации, потребления передачи, электроэнергии; распределения, старении изоляции электрооборудования, что влечет за собой повышенный износ и сокращение срока службы; ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики [3]. Также указанные факторы оказывают значительное влияние на процесс насыщения магнитной системы и увеличение погрешностей измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). При воздействии на ТТ внешнего постоянного магнитного поля магнитопровод насыщается, уменьшается его магнитная проницаемость. При этом магнитная связь между первичной и вторичной обмотками ослабевает, и ТТ приобретает отрицательную погрешность. Рассмотрим, почему так происходит. Схема замещения ТТ и ТН обычно представляется в виде классической Т-образной схемы замещения трансформаторов (рисунок 1). Рисунок 1 – Схема замещения ТТ/ТН где 𝑍1 – приведенное к вторичной стороне сопротивление первичной обмотки; 𝑍𝜇 – приведенное сопротивление ветви намагничивания; 𝑍2 – сопротивление вторичной обмотки; 𝑍н – сопротивление нагрузки; 𝐼1 , 𝐼2 – приведенный первичный и вторичный токи ТТ; 𝐼𝜇 – приведенный ток намагничивания. Идеальным трансформатором тока считается такой ТТ, у которого значение сопротивления петли намагничивания стремится к бесконечности 13

(𝑍𝜇 ≫ 𝑍1 , 𝑍2 ), следовательно ток через 𝑍𝜇 не протекает. Также на значение и фазу тока намагничивания 𝐼𝜇 влияет соотношение между общим сопротивлением во вторичной цепи 𝑍2 + 𝑍н и сопротивлением 𝑍𝜇 , то есть чем меньше сопротивление нагрузки, тем меньше погрешность ТТ. Для идеального ТН должно выполняться следующее условие – 𝑍𝜇 ≫ 𝑍1 , 𝑍н ≫ 𝑍𝜇 , то есть чем больше сопротивление намагничивания и сопротивление нагрузки, тем больше точность ТН. Реальные же ТТ и ТН характеризуются тем, что сопротивление ветви намагничивания нельзя считать бесконечным по причине ограниченности размеров и комплектации самих трансформаторов и нелинейности характеристики намагничивания материала сердечника [4]. На рисунке 2 изображена характеристика насыщения магнитопровода трансформатора (зависимость амплитуды магнитной индукции в сердечнике ТТ от действующего значения напряжённости магнитного поля). Рисунок 2 – Характеристика намагничивания трансформатора тока Из рисунка 2 видно, что при достижении напряженностью магнитного поля 𝐻 определенного значения магнитная индукция 𝐵 перестает увеличиваться и остается равной величине индукции насыщения 𝐵𝑠 , которая определяется видом магнитного материала. 14

Магнитная индукция 𝐵 в магнитопроводе складывается из переменной составляющей, вызванной первичным током 𝐼1 (влияние высших гармоник), а также постоянной составляющей, которая определяется внешним магнитным полем. При небольшом значении индукции внешнего магнитного поля трансформатор доходит до насыщения только в определенные фазы, когда первичный ток и порождаемое им магнитное поле имеет наибольшее мгновенное значение. В эти моменты суммарная магнитная индукция в магнитопроводе достигает значения индукции насыщения 𝐵𝑠 . Это приводит к тому, что вторичный ток 𝐼2 искажается и его среднеквадратическое значение уменьшается по сравнению с величиной без внешнего магнитного поля. При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля магнитопровод насыщается сильнее, для более широкого диапазона мгновенных значений первичного тока. При большой индукции внешнего магнитного поля, близкой к индукции насыщения, магнитопровод оказывается в насыщении для любого значения первичного тока, и ТТ становится по характеристикам близким к воздушному трансформатору с магнитной проницаемостью около единицы. Вторичный ток при этом падает практически до нуля [5]. Именно на участке I сопротивление 𝑍𝜇 максимально, а, следовательно, трансформатор преобразует сигнал корректно, не искажая его форму и величину. Релейная защита и автоматика электроэнергетической системы (ЭЭС) должна с высоким быстродействием правильно функционировать при максимально возможных токах КЗ. Первичный ток ТТ при КЗ может превышать номинальный в десятки раз. В этих условиях при синусоидальном первичном токе полная (для дифференциальных защит) и токовая (для дистанционных защит) погрешности не должны превышать 10%, что обеспечивают выбором нагрузки на ТТ. Однако в переходных режимах КЗ с наличием значительной апериодической составляющей в первичном токе и остаточной магнитной индукции магнитопроводы ТТ класса P, выбранных по 15

условию 10%-ной погрешности, насыщаются. Их погрешности могут составлять 80% и более [6]. Вероятность возникновения значительных апериодических составляющих в токах КЗ по данным исследований, проведённым в СССР в 70-е годы прошлого века (ВНИИЭ, НПИ), в электрических сетях мала и составляет 0,1 и менее. Однако, было показано (Институт электродинамики АН УССР), что указанная вероятность при коротких замыканиях вблизи крупных электростанций и подстанций сверхвысокого напряжения значительно выше. 1.2 Анализ проблемы некорректной работы устройств релейных защит вследствие насыщения измерительных трансформаторов Опираясь на совокупность всех ранее вышеперечисленных и упомянутых факторов в режимах глубокого насыщения трансформаторов тока и напряжения возникают искажения измеряемого сигнала. Данные искажения непосредственно влияют на корректность срабатывания систем релейных защит и автоматики (РЗА). На рисунке 3 изображен график затухающего периодического изменения тока, из которого видно, что при насыщении ТТ ток отличается по амплитуде. Действующее значение тока при насыщении ТТ гораздо ниже идеального, а так как именно на него реагируют токовые релейные защиты, это может стать причиной нечувствительности и несрабатывания защит. 16

о.е. Ток 1 0 2 0.0 0.01 0.02 0.03 Время 0.04 0.05 сек Рисунок 3 – Форма сигналов тока, где 1 – вторичный ток идеального ТТ, 2 – ток с учетом насыщения ТТ В соответствии со стандартом IEC 61869-2 [5] для характеристики переходного режима различают три класса защитных трансформаторов тока: классы ТРХ, TPY, TPZ. Материалом для магнитопроводов трансформаторов тока класса TPX является холоднокатаная электротехническая сталь с высокой прямоугольностью характеристики намагничивания. Немагнитный зазор в сердечниках отсутствует, благодаря чему в них может длительно сохраняться остаточная магнитная индукция, которая может достигать предельного значения. Трансформаторы тока класса TPY имеют немагнитный зазор для снижения уровня остаточной магнитной индукции (остаточная индукция не более 10% от предельного значения). Магнитопроводы указанных ТТ могут насыщаться при интенсивных переходных процессах. Трансформаторы тока класса TPZ благодаря значительному немагнитному зазору практически не имеют остаточной индукции и их характеристики намагничивания практически линейные, т.е. их магнитопроводы не насыщаются при переходных процессах. ТТ с замкнутым сердечником трансформируют апериодическую и периодическую составляющие в определенном диапазоне значений с высокой 17

точностью. Уровень значения остаточной магнитной индукции для таких ТТ очень высок и может составлять около 80% от индукции насыщения (рисунок 4). Практически вся магнитная индукция, возникшая при трансформации тока с апериодической составляющей, сохраняется в сердечнике. Указанная остаточная индукция может быть устранена только размагничиванием ТТ. Рисунок 4 – Характеристика намагничивания ТТ разных классов: I – замкнутый сердечник (ТРХ), II – сердечник с воздушным зазором (ТРY), III – линеаризованный сердечник (TPZ) В электроэнергетической системе Российской Федерации ТТ с немагнитным зазором практически не эксплуатируются (TPZ). Искажение измеряемого сигнала тока или напряжения вследствие насыщения измерительных трансформаторов является одной из распространенных причин аварий на электроэнергетических объектах. 18

Рассмотрим случай излишней работы защит вследствие насыщения ТТ на подстанции (ПС) 330 кВ Машук, находящейся в операционной зоне филиала АО «СО ЕЭС» Северокавказского РДУ. 01.11.2016 года при КЗ внутри бака трансформатора собственных нужд (ТСН) произошло отключение ТСН-4 средствами токовой отсечки, и отключение АТ-2 средствами дифференциальной токовой отсечки. Причиной отключения АТ-2 излишним действием ДТО в составе терминала защит ДЗО НН АТ-2 (Т35) при близком двухфазном КЗ на ТСН-104 явилось появление апериодической составляющей значительной величины токов КЗ, приведшее к насыщению ТТ 10 кВ фаз В и С в ячейке ВАТ-102 (ТОЛ-10-1-1У2 1500/5 А) и ТСН-104 и появлению дифференциального тока, превышающего ток срабатывания защиты. Осциллограмма токов по трем фазам представлена на рисунке 5. Рисунок 5 – Осциллограмма вторичных токов ТТ Как видно из осциллограммы, амплитуда вторичного тока ТТ ВАТ-102 значительно превышает номинальный вторичный ток ТТ: 58 = 41,4  5 А. 2 При этом в фазах, подвергшихся насыщению, повышается ток небаланса, что ведет к срабатыванию защиты. Токи небаланса по фазам В и С представлены на рисунке 6. 19

Рисунок 6 – Дифференциальные токи в поврежденных фазах Анализ излишнего отключения АТ-2 ПС 330 кВ Машук показывает, что при близких КЗ, сопровождающимся высокими кратностями тока через ТТ, меры по противодействию насыщению ТТ становятся недостаточно эффективными. По этой причине необходимо уменьшать влияние насыщения ТТ в переходных режимах на защиты основного оборудования ПС, в особенности такие как ДЗТ и ДЗО. Также, 12.09.2019 в 17:53 на ПС 500 кВ Ростовская при внешнем КЗ (на ТСН-1 10 кВ) отключился АТГ-1 излишним действием ДЗО НН. Причина излишнего срабатывания ДЗО НН АТГ-1 – трехфазное КЗ на стороне 10 кВ ТСН-1, в результате которого произошло насыщение трансформаторов тока ввода 10 кВ АТГ-1 (в ячейке В-10 АТГ-1), что привело к появлению тока небаланса ДЗО НН АТГ-1, достаточного для срабатывания ДЗО АТГ-1 на отключение АТГ-1 со всех сторон. Насыщение трансформаторов тока ввода 10 кВ АТГ-1 (в ячейке В-10 АТГ-1) произошло из-за наличия апериодической составляющей в первичном токе КЗ (рисунок 7). 20

Рисунок 7 – Осциллограмма первичных токов КЗ и излишнее срабатывание ДЗО НН АТГ-1 Также, 4 ноября 2014 года при возникновении трехфазного короткого замыкания в открытом распределительном устройстве (ОРУ) 500 кВ Ростовской АЭС зафиксирована неправильная (излишняя) работа устройств релейной защиты, с дальнейшим развитием аварийной ситуации, приведшей к отделению части ОЭС Юга от ЕЭС России и отключению более 2000 МВт потребителей действием противоаварийной автоматики (рисунок 8, 9, 10). В соответствии с актом Ростехнадзора для определения причин излишней работы РЗА была создана рабочая группа (ОАО «СО ЕЭС», ОАО «Концерн Росэнергоатом», ОАО «Россети», ОАО «ФСК ЕЭС», ОАО «РусГидро», ВНИИАЭС, НИАЭП, ООО НПП «ЭКРА», ООО «Сименс», Trench (Германия), ООО «Эльмаш» (УЭТМ), ОАО «ВНИИР»), по результатам работы которой установлено, что причиной неправильной (излишней) работы устройств релейной защиты стало насыщение трансформатора SAS 550 апериодической составляющей тока короткого замыкания и наличие остаточного намагничивания его сердечника. 21

Рисунок 8 – Осциллограммы напряжений на ОРУ 500 кВ Ростовской АЭС Рисунок 9 – Осциллограммы токов на ОРУ 500 кВ Ростовской АЭС 22

Рисунок 10 – Осциллограмма тока при насыщении трансформатора SAS 550 Еще один случай аварии произошел 13.06.2018 на ПС 500 кВ Тамань. Зафиксирована неправильная работа (излишняя) дифференциальной токовой отсечки в составе ДЗО 10 кВ АТ-1 при внешнем 3-х фазном КЗ в ЗРУ 10 кВ, и ДЗО 10 кВ АТ-2 при неуспешном АВР (рисунок 11, 12). Излишняя работа ДЗО 10 кВ автотрансформаторов АТ-1 и АТ-2 ПС 500 кВ Тамань произошла вследствие появления небаланса в цепях ДЗО 10 кВ, обусловленного насыщением трансформаторов тока 10 кВ установленных в ЗРУ 10 кВ и трансформаторов тока, встроенных в автотрансформаторы, при внешнем КЗ из-за появления апериодической составляющей (в результате появления апериодической составляющей при КЗ трансформаторы тока ввода 10 кВ СШ 10 кВ и обмотки НН автотрансформаторов вошли в режим насыщения, в котором правильные измерения тока невозможны и существенно превысили нормированную 10% погрешность). Выбор трансформаторов тока проектной организацией произведен на основании действующей нормативной документации, предусматривающей 23

выбор трансформаторов тока с учетом периодической составляющей тока, соответствующей номинальной или расчетной предельной кратности трансформаторов тока. Учет апериодической составляющей тока короткого замыкания при выборе проектных параметров и в эксплуатации действующими отраслевыми НТД не предусмотрен. Рисунок 11 – Осциллограммы токов трех фаз при излишнем срабатывании ДЗО 10 кВ АТ-1 Рисунок 12 – Осциллограммы токов трех фаз при излишнем срабатывании ДЗО 10 кВ АТ-2 24

Таким образом, проблема неправильного срабатывания релейной защиты и автоматики вследствие насыщения измерительных трансформаторов очень актуальна, так как аварии, вызванные данной проблемой, могут привести к большим последствиям для энергосистемы – нарушению устойчивости, ее деление, ухудшение качества электроэнергии и снижение надежности. 1.3 Влияние помех на измерения и восстановление сигнала Прежде чем начать какую-либо обработку сигналов, все цифровые релейные защиты осуществляют переход от непрерывных аналоговых сигналов к цифровым, что осуществляется с помощью процедур дискретизации и квантования, выполняемых последовательно друг за другом. Их совместное применение называют аналого-цифровым преобразованием [7, 8]. Процесс перехода от непрерывной области изменения аргумента (задания функции) к конечному множеству отдельных значений аргумента называется дискретизацией. Процесс перехода от непрерывной области изменения функции к конечному множеству определенных значений называется квантованием. Дискретизация аналогового сигнала может осуществляться тремя способами: 1) как процедура выбора отсчетов сигнала в фиксированные моменты времени, следующие через равные промежутки времени ∆𝑡 (интервал ∆𝑡 называют шагом дискретизации, а обратная величина 𝑓𝐷 = 1 ∆𝑡 носит название частоты дискретизации), такой способ носит название равномерной дискретизации; 2) как процедура выбора отсчетов сигнала в моменты времени, следующие друг за другом через не равные интервалы времени (чаще всего величину интервала выбирают в зависимости от скорости изменения сигнала на различных интервалах), так называемая адаптивная дискретизация; 25

3) как процедура выбора отсчетов в фиксированные моменты времени, задаваемые случайным образом по тому или иному закону (стохастическая дискретизация). Простейшим случаем является дискретизация с равномерным шагом, поэтому на практике такой способ применяется наиболее широко [9]. Переход от непрерывного сообщения к дискретному осуществляется с потерей информации. Восстановление непрерывного сигнала по дискретным значениям на приемной стороне и устранение потерь информации зависит от параметров дискретизации, способа восстановления сигнала и от свойств сигнала. Любой гармонический сигнал может быть однозначно представлен дискретными значениями (отсчётами), если частота такого сигнала меньше 𝑓𝐷 /2. Частота 𝑓𝑁 = 𝑓𝐷 /2 носит название частоты Найквиста. Возможны три различных ситуации при восстановлении сигнала после дискретизации: а) 𝑓𝑆 < 𝑓𝑁 – возможно правильное восстановление сигнала; б) 𝑓𝑆 = 𝑓𝑁 – восстановленный сигнал по дискретным отсчётам будет иметь ту же частоту, что и до дискретизации, однако фаза и амплитуда сигнала могут быть искажены; в) 𝑓𝑆 > 𝑓𝑁 – восстановленный сигнал так же будет гармоническим, но его частота будет иной. Иначе говоря, проявляется эффект появления ложных частот (aliasing). Периодические сигналы могут быть описаны в виде суммы (или суперпозиции) гармонических составляющих или гармоник, каждая из которых имеет определённую частоту, амплитуду и начальную фазу. Конкретный набор таких составляющих будет определяться видом сигнала 𝑠(𝑡). Для того, чтобы такое представление можно было бы осуществить, фрагмент сигнала на периоде 𝑇 должен удовлетворять условиям Дирихле, т.е.: 1) не должно быть разрывов II рода; 2) число разрывов I-го рода (или скачков) должно быть конечным; 26

3) число экстремумов должно быть конечным. При соблюдении этих требований периодический сигнал 𝑠(𝑡) может быть представлен в виде ряда Фурье: 𝑠(𝑡) = 𝐴0 2 + ∑∞ 𝑘=1 𝑎𝑘 cos(𝑘𝜔1 𝑡) + 𝑏𝑘 sin(𝑘𝜔1 𝑡). (1) В задачах цифровой обработки сигналов (ЦОС) выделяют этапы предварительной (первичной) и вторичной обработки сигналов. Это связано с тем, что в общем случае на входе системы ЦОС наблюдается смесь 𝑥(𝑡) полезного сигнала 𝑠(𝑡), некоторого шума 𝑛(𝑡) и различных помех разной природы 𝑝(𝑡): 𝑥(𝑡) = 𝑠(𝑡) + 𝑝(𝑡) + 𝑛(𝑡), (2) где 𝑛(𝑡) – является характеристикой самого техничного устройства, а 𝑝(𝑡) – некоторое искажающее воздействие самой физической среды, в которой распространяется сигнал (например, затухание). Различают следующие задачи цифровой обработки сигналов: 1) Обеспечение оптимального приёма сигналов, под которым понимается обеспечение максимально возможного подавления помех различной природы и шумов, т.к. в общем случае на вход приёмника попадает их смесь; 2) Определение числовых параметров сигналов – энергии, средней мощности, среднеквадратичного значения и т.д.; 3) Разложение сигналов на некоторый набор элементарных составляющих для рассмотрения их в дальнейшем по отдельности или совместно, а также решение обратной задачи синтеза сигнала; 4) Количественное измерение степени схожести или подобия сигналов; 5) Решение задач распознавания и идентификации сигналов. При этом выделяют следующие основные этапы цифровой обработки сигналов: 1) Предварительная обработка – приём, успешное преобразование из аналоговой в цифровую форму представления; 2) Первичная обработка – оптимальный приём и анализ (см. задачи 1- 3); 27

3) Вторичная обработка – выделение сигнала заданного вида, 6ласссификация, распознавание и т.д. (см. задачи 4-5). Важнейшей задачей первичной обработки сигнала является подавление 𝑛(𝑡) и 𝑝(𝑡) (шума и помехи). Такая задача оптимального приема может быть решена только на основе использования избыточности представления исходного сигнала, а также имеющихся сведений о свойствах полезного сигнала, помехи и шума для увеличения вероятности правильного приема [8, 10]. Система вторичной обработки сигнала предназначена для идентификации обнаруженного сигнала, его классификации и выдачи информации об обнаруженных сигналах оператору или формирования управляющего воздействия. Характерной чертой первичной обработки сигнала является постоянство алгоритма обработки при его достаточно высокой вычислительной сложности. Этап вторичной обработки характеризуется большей гибкостью используемых алгоритмов, необходимостью поддержки обмена с другим техническим средством или диалога с оператором. Поэтому системы вторичной обработки чаще всего строятся на основе программируемых вычислительных средств. Системы же первичной обработки могут быть построены как на программируемых вычислительных средствах, так и на основе специальных вычислителей с жесткой логикой [10]. Шум можно определить, как любой электрический сигнал в схеме, отличный от полезного. Важным исключением из этого определения являются искажения, возникающие в схеме в результате нелинейностей. Помеху же можно определить, как нежелательный эффект от воздействия шумов. Если напряжение шумов делает работу схемы неудовлетворительной, то это помеха. Обычно шумы невозможно совершенно уничтожить, можно лишь уменьшить их величину настолько, что они не будут вызывать помех. 28

Генри Отт в своей книге [11] выделяет основные методы, применяемые для борьбы с помехами: – экранирование; – заземление; – балансировка; – фильтрация; – изоляция; – разнесение и ориентация; – регулировка величины полного сопротивления схемы; – выбор кабеля; – подавление (в частотной или временной области). В настоящей работе интерес представляет именно метод фильтрации, который и заложен в логике работы терминалов РЗА. Известны следующие методы фильтрации, обеспечивающие улучшение соотношения сигнал/помеха: – метод накопления; – частотная фильтрация; – корреляционный метод; – согласованная фильтрация; – нелинейная фильтрация. Все эти методы основаны на использовании различий свойств полезного сигнала и помехи. Киракосян С. А. в своей работе [15] провел сравнительный анализ (таблица 1) наиболее распространенных методов подавления помех, из которого видно, что применение указанных методов не может обеспечить подавление импульсных помех больше чем на 40 дБ. 29

Таблица 1 – Сравнение методов подавления помех Метод Передача сигнала напряжением 0–10 В Токовый выход 4–20 мА Гальваническая развязка Интегрирующие АЦП с циклом 20 мс Дельта-сигма АЦП с циклом 20 мс Аналоговая фильтрация Цифровая фильтрация 𝐾ппп , дБ 𝐾пип , дБ 𝛿, % 20 20 0,2 60 40 0,05 100 40 0,05–0,1 50–60 40 0,05 80 40 0,05 40–60 50–60 0,2 57–63 60–65 0,1 В ГОСТ Р 50571–4–44–2011 рассматриваются следующие источники помех: коммутационные устройства для индуктивных нагрузок, электрические двигатели, флуоресцентное освещение, сварочные машины, компьютеры, выпрямители, прерыватели, частотные преобразователи и регуляторы, лифты, трансформаторы, комплектные коммутационные устройства, силовые распределительные шинопроводы [12]. Одним из основных источников помех является промышленная сеть переменного тока 380В/50 Гц. В идеальном случае форма сетевого напряжения должна быть синусоидой с нелинейными искажениями менее 1–2 % [13]. Однако в процессе генерации и многочисленных преобразований, связанных с транспортировкой энергии (повышающие и понижающие трансформаторы), из-за нелинейных магнитных цепей эта синусоида подвергается значительным искажениям. В итоге нелинейные искажения растут в лучшем случае до 5–6 %. Согласно исследованиям, проведённым на крупных металлургических заводах (Азовсталь, Запорожсталь, Тагмет) и на ряде машиностроительных заводов, коэффициент нелинейных искажений в сети переменного тока предприятий достигает 10–15 % и сильно колеблется в зависимости от режима работы и нагрузки [14]. Спектральный анализ показывает наличие второй и третьей гармоник, вызванных включением 30

мощных асинхронных двигателей и выпрямителей. Кроме того, в спектре присутствуют 5, 7, 11, и 13 гармоники, ширина спектра помех в сети переменного тока, которые приходится учитывать, доходит до 1 кГц и более. На рисунке 13 приставлено измерение осциллографом RTH10004 переменного напряжения сети 220 В, а также полученный коэффициент гармонических искажений [15]. Рисунок 13 – Осциллограмма переменного напряжения сети 220 В (слева) и гармонические искажения (справа) Таким образом, в сети переменного тока промышленных предприятий форма напряжения весьма далека от синусоидального сигнала, нелинейные искажения достигают 10–15 % и более, отмечается наличие большого количества импульсных помех. Совокупность всех вышесказанных факторов позволяет объяснить тот факт, что классические входные фильтры, рассчитанные на подавление только сетевой помехи 50 Гц оказываются неэффективными. 1.4 Обзор и анализ существующих методов восстановления сигналов Как мы выяснили выше, фильтры различных частот не всегда эффективны, поэтому важно определять диапазон правильной трансформации сигнала трансформатором тока, то есть проводить сегментацию именно на неискаженном помехами участке сигнала. Только это позволит восстановить сигнал, наиболее приближенный к истинному. 31

Далее рассмотрим основные способы восстановления сигналов тока при условии насыщения магнитопровода ТТ. Данной теме посвящены работы многих отечественных авторов [16-20] и зарубежных публикаций [20-23]. Принято разделять алгоритмы восстановления сигнала тока на две группы: предполагающие информацию о магнитной характеристике ТТ и её адаптивный учет, и отсутствие базиса изменения магнитных характеристик и не учет данных условий. В основу адаптивных существующих алгоритмов восстановления положены способности терминалов релейной защиты обрабатывать алгебраические выражения в темпе процесса, получая таким образом эффективный механизм. Алгебраические выражения, используемые в существующих методах обработки мгновенных значений величин тока, реализуют ряд приемов: поиск производной, алгоритмы на основе дифференциальных уравнений линии, выделения ортогональных составляющих и многие другие, аппроксимация сигнала и др. [4, 24, 25]. Однако, основным недостатком первой группы алгоритмов является отсутствие данных об остаточной намагниченности в сердечнике ТТ в момент возникновения повреждения. К алгоритмам второй группы данный недостаток не относится, но их использование предполагает предварительную фильтрацию сигнала, что существенно влияет на быстродействие защит. В [4] автор дает подробное описание наиболее распространенных методов восстановления сигнала. Первым он выделяет алгоритм двух выборок, который позволяет на основе выборок сигналов 𝑢(𝑡), 𝑖(𝑡) определить параметры соответствующих векторов тока 𝐼(𝑛𝑇) и напряжения 𝑈(𝑛𝑇). Алгоритм двух выборок обеспечивает точное измерение вектора U (t ) = U m  e j (t + ) на основе двух выборок u[( n − m)TД ] и u[(n)TД ] синусоидального сигнала известной частоты ω, взятых через время (рисунок 14). Параметры, характеризующие вектор, mT Д определяются совместным решением двух уравнений, составленных для этих выборок: 32

u[(n − m)T Д ] = U m sin[(n − m)T Д ];  u[nTД ] = U m sin(nTД + ).  (3) Рисунок 14 – Векторное представление синусоидальных величин в дискретизированной форме Цифровое преобразование, обеспечивающее получение параметров вектора по двум выборкам синусоидальной величины u (t ) = U m sin(t +  ) , взятым через T циклов, с учётом соотношений между ортогональными составляющими векторов имеет вид: u[(n − m)T ] − 2u(nT 2 Um = Д Д )u[(n − m)TД cos mTД + [u (nTД )]2 sin mTД  = arctg u (nTД ) sin mTД − nTД u (nTД ) cos(mTД ) − u[(n − m)TД ] (4) (5) Данный алгоритм является быстродействующим – результат может быть получен за время периода дискретизации 𝑇 между двумя выборками. Однако есть и недостаток: при отличии сигнала от синусоидального имеет низкую точность, поэтому необходима предварительная цифровая фильтрация сигнала. Далее автор [4] описывает алгоритм восстановления сигнала на основе дифференциального уравнения линии, который заключается в решении системы двух уравнений величин на входе цифрового измерительного органа 33

(ЦИО) в любые два момента времени и получении составляющих сопротивления 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 на входе ЦИО. Данный алгоритм абсолютно независим от формы сигнала, то есть от апериодических составляющих в токе и напряжении, возникающих при КЗ на воздушной линии. Однако недостатком алгоритма является малая точность, неправильное измерение при наличии дуги в месте повреждения, подверженность влиянию помех. Следующий описанный в [4] алгоритм основан на выделении составляющих ортогональных функций. Он характеризуется наличием фильтрующих свойств в самих преобразованиях, заключающихся в выделении из сигналов, составляющих взаимно ортогональных функций (тригонометрических с разложением в ряд Фурье, прямоугольных Уолша, трапецеидальных и т.д.). Алгоритм фильтрации при этом обеспечивается методом свертки на интервале 𝑇0 = 𝑛𝑇 входного сигнала 𝑢(𝑡) с четными и нечетными ортогональными функциями. В [26] описан алгоритм, базирующийся на определении интервалов достаточно точной трансформации ТТ и восстановлении по ним первичного тока численными методами в следующей последовательности: − по измеренным значениям вторичного тока ТТ определяется стационарный участок с помощью двух признаков: среднее значение тока на заданном временном интервале стремится к нулю; расхождение между максимальным и минимальным значениями тока на рассматриваемом периоде стремится к нулю; − на стационарном участке для каждого полупериода определяется первоначальный интервал 𝑇н между нулевым и максимальным по модулю значениями тока; − осуществляется компенсация шума аналого-цифрового преобразователя; − вычисляется амплитуда 𝐼𝑚𝑗 и фаза 𝜑𝑗 синусоидального выражения для каждого интервала 𝑇н : 34

𝑖2 𝑗−1 sin(∆𝜑) 𝑖2 𝑗 𝜑𝑗 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (𝑖2 𝑗−1 𝑖2 𝑗 𝐼𝑚𝑗 = − ), (6) cos(∆𝜑)−1 𝑖2 𝑗−1 . (7) sin(𝜑𝑗 ) выполняется поиск участка достаточно точной работы ТТ по приращениям амплитуды, которые вычисляются по элементам рассчитанной дискретной последовательности значений Im. В качестве критерия при отыскании участков достаточно точной трансформации первичного тока ТТ принимается максимальное предполагаемых участков среднее достаточно значение точной амплитуды работы для среди каждого полупериода. Указанный алгоритм разработан для решения задачи восстановления первичного тока ТТ по измеренным мгновенным значениям вторичного тока, искаженного в результате насыщения сердечников ТТ при отсутствии в первичном токе апериодической составляющей. Следовательно, данный алгоритм не применим для расчета параметров сигнала в переходных режимах. В [27] предложен алгоритм восстановления первичного тока ТТ при насыщении магнитопровода в установившихся и в переходных режимах. Согласно данному алгоритму, выражения для расчета амплитуды, фазы, круговой частоты периодической составляющей приведенного первичного тока ТТ для момента времени j вычисляются посредством приращений вторичного тока. Для выделения интервалов достаточно точной трансформации ТТ в [27] использовался частотно-амплитудный критерий, Данные алгоритмы относятся к быстродействующим: теоретически результат может быть получен за время 2-3 мс, но в условиях современных тенденций и требований к микропроцессорным устройствам РЗА данной скорости может быть недостаточно. Также при практическом применении они имеют низкую точность, что обусловлено их повышенной чувствительностью к наличию во вторичном токе ТТ высших гармонических составляющих. По 35

этой причине при реализации данных алгоритмов целесообразна предварительная цифровая фильтрация сигналов. Вывод к 1 главе Данная глава посвящена постановке задачи исследования, выявлению проблемы, обоснованию ее актуальности, а также анализу и обзору уже существующих работ отечественных и зарубежных авторов на похожую и смежные тематики. Изначально были исследованы основные причины возникновения искажения формы и величины сигналов тока или напряжения. Первый и самый распространенный источник искажений, провалов и шумов в сигналах токов или напряжений – высшие гармоники. Второй источник, который частично является следствием первого, – это явление насыщения измерительных трансформаторов. Именно вследствие насыщения измерительных ТТ устройства РЗА некорректно срабатывают и приводят к огромным системным авариям, обзор и анализ которых был произведен в данной главе. Масштабы последствий от подобных аварий (деление энергосистемы, отключение более 2000 МВт потребителей) доказывают актуальность исследований по выбранной теме. Одним из решений вышеописанной проблемы является восстановление искаженного сигнала тока или напряжения. В данной главе исследован процесс аналогово-цифрового преобразования, проанализировано влияние помех на него и сделан вывод о недостаточной эффективности фильтрации входного сигнала. Выполнен анализ известных способов восстановления входного сигнала ТТ. Предложенные способы разделены на две группы: − использующие параметры характеристики намагничивания ТТ; − не использующие параметры характеристики намагничивания ТТ. 36

Основным недостатком алгоритмов первой группы, препятствующим их применению, является отсутствие данных о значении остаточной магнитной индукции в сердечниках ТТ. При реализации алгоритмов, относящихся ко второй группе, необходима предварительная фильтрация сигналов, что ограничивает их быстродействие. Установлено, что в настоящее время ещё не найдено универсальное решение задачи формирования по параметрам вторичного тока сигнала, пропорционального первичному току ТТ, которое может быть успешно использовано в различных видах устройств релейной защиты. 37

2 ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ВЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Из Лист № документа Подпись м Дипломник Стребкова Т.В. Руководи т. Мамаев В.А. Дата Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит Лит Лист Листов М ЭЭТ-м-о-18-1 38

2.1 Технология СВИ CВИ – совокупность векторных и скалярных параметров электроэнергетического режима, измеренных и рассчитанных с заданной дискретизацией в однозначно определенные моменты времени, синхронизированные с помощью глобальных навигационных спутниковых систем [28]. Технология синхронизированных векторных измерений (СВИ), основана на измерении с высокой точностью параметров электрического режима в различных точках энергосистемы с частотой измерения до 1000 раз (измерений) за период промышленной частоты 0,02 секунды (или 50 000 измерений в секунду), с передачей данных с трафиком 50 раз в секунду. Передаваемые в диспетчерский центр измерения синхронизированы по времени с помощью спутниковых навигационных систем с погрешностью, не превышающей 1·10-6 секунды. Благодаря созданию и развитию в ЕЭС России таких СВИ, появились более качественные данные о параметрах электрического режима энергосистемы и созданы предпосылки для совершенствования технологических алгоритмов работы систем АСДУ, защиты и управления энергосистемой на современной информационной платформе. На сегодняшний день это один из самых прогрессивных методов измерения, позволяющий получить высокую точность и стабильность измерений, минимальную задержку измеряемых переменных, повысить надежность измерительной системы в целом, а также получить функциональность, недоступную другим методам. Распространённые в ЕЭС России классические системы телемеханики (ТИ - ОИК, SCADA, PSI Control и др.), а также РАС, осуществляют передачу данных в диспетчерские центры (ДЦ) и центры управления сетями (ЦУС) от 3 до 10 раз в минуту. Такое качество информации не позволяет определять и учитывать динамические характеристики оборудования и узлов нагрузки в 39

алгоритмах систем мониторинга и управления, что ограничивает возможности их дальнейшего развития, а также делает невозможным реализацию технологических задач, связанных с мониторингом низкочастотных колебаний, мониторингом работы системных регуляторов, мониторингом разделения энергосистемы на отдельные синхронные зоны и т.д. Преимущество выполнения технологии непрерывной СВИ записи заключается параметров в возможности электромеханических переходных процессов в энергосистеме. Сравнительные осциллограммы параметров активной мощности и тока, построенные на основе данных СВИ и телеизмерений, представлены на рисунке 15. Рисунок 15 – Отображение параметров активной мощности по данным СВИ и телеизмерений Ещё один пример, наглядно демонстрирующий преимущество использования данных СВИ над классическими ТИ показан на режиме работы энергоблока мощностью 65 МВт, выдающего мощность в систему через шины 40

138 кВ (USA). Осциллограммы фазных напряжений и токов СМПР (PMU) наглядно демонстрируют электромеханический переходный процесс на интервале времени 180 секунд, в то время как классический ОИК (SCADA), этого процесса не фиксирует (рисунок 16). Рисунок 16 – Сравнение данных SCADA vs PMU на базе интерфейса ПК RTDMS Рассмотрим подробнее принцип данной технологии. Любой чистый синусоидальный сигнал может быть представлен, как вектор с амплитудой и фазовым углом (оба представления проиллюстрированы на рисунке 17): 𝑥(𝑡) = 𝑋𝑚 cos(𝜔𝑡 + 𝜃). (8) Его векторное представление: 𝑋= 𝑋𝑚 √2 𝑒 𝑗𝜃 = 𝑋𝑚 √2 (cos 𝜃 + 𝑗 sin 𝜃). (9) 41

Рисунок 17 – Векторное представление синусоидальных величин Устройство синхронизированных векторных измерений (УСВИ) осуществляет измерение амплитуды и фазового угла входящего сигнала с присвоением метки времени (рисунок 18). С помощью этих данных мы получаем векторное представление синусоидальной величины. Рисунок 18 – Измерение амплитуды и фазового угла устройствами СВИ Согласно [29], УСВИ – техническое средство, функцией (одной либо одной из нескольких) которого является выполнение с нормированной точностью измерений синхронизированных векторов и других электрических параметров в однозначно определенные с помощью глобальных навигационных спутниковых систем моменты времени и передача результатов измерений в концентраторы синхронизированных векторных данных. УСВИ осуществляет измерение следующих парамтеров: 42

− синхронизированные векторы фазных напряжений, где модулем является действующее значение основной гармоники фазного напряжения (Ua, Ub, Uc), а фазовым углом соответствующий абсолютный угол напряжения (δUa, δUb, δUc); − синхронизированные векторы фазных токов, где модулем является действующее значение основной гармоники силы фазного тока (Ia, Ib, Ic), а фазовым углом соответствующий абсолютный угол тока (δIa, δIb, δIc); − частота пофазно и прямой последовательности (fa, fb, fc, fU1); − скорость изменения частоты (dfa/dt, dfb/dt, dfc/dt). В [29] изложены основные требования к УСВИ: 1. В каждом УСВИ должна быть реализована передача кадров данных СВИ с темпом передачи 1, 10, 25, 50 кадров данных СВИ в секунду. 2. Интервалы между метками времени кадров данных СВИ должны быть равными и определяться темпом передачи. 3. Для синхронизации УСВИ должны использоваться приемники сигналов глобальных навигационных систем с точностью синхронизации не хуже 1 мкс. 4. Сигналы синхронизации должны соответствовать шкале UTC. 5. Кадры данных СВИ должна включаться информация о качестве синхронизации результатов измерений в соответствии с требованиями. Также СВИ характеризуются таким важным параметром, как полная погрешность измерения вектора (TVE) – величина, характеризующая отклонение амплитуды и фазы измеренного вектора от их заданных значений и вычисляемая по формуле: 𝑇𝑉𝐸 = √ где (𝑥̂𝑟 −𝑥𝑟 )2 +(𝑥̂𝑖 −𝑥𝑖 )2 𝑥𝑟 2 +𝑥𝑖 2 ∙ 100%, (10) 𝑥̂𝑟 – действительная часть измеренного вектора; 𝑥𝑟 – действительная часть истинного вектора; 𝑥̂𝑖 – мнимая часть измеренного вектора; 𝑥𝑖 – мнимая часть истинного вектора. 43

2.2 Идентификация факта насыщения трансформаторов тока на основе данных СВИ При насыщении магнитной системы трансформатора тока искаженный сигнал тока обрабатывается СВИ и передается в центр центр обработки данных. При анализе данных синхрофазора соответствующего моменту насыщения можно заметить существенное изменение фазы вектора тока. Как и для поиска производной осциллограмм вторичных токов с целью сегментации насыщения, для синхрофазора необходимо выполнять поиск производной графика изменения фазы вектора (рисунок 19). а) б) в) г) Рисунок 19 – Результаты обработки экспериментальных данных насыщения ТТ 44

На рисунке 19 а) I1, I2 – первичный и вторичный токи ТТ; б) действующие значения первичного и вторичного токов при различных степенях насыщения магнитной системы ТТ; в) производная сигала тока I2; г) значения фазы вектора тока при различных степенях насыщения магнитной системы ТТ. Как известно УСВИ осуществляет измерение скорости изменения частоты (dfa/dt, dfb/dt, dfc/dt). Изменение данного параметра необходимо проанализировать в моменты насыщения магнитной системы ТТ и его связь с изменением синхрофазора. Для подтверждения данной теории необходимо иметь данные аварийного увеличения тока и как следствие насыщение ТТ и искажение формы кривой тока I2. Данный опыт выполним в программном комплексе PSCAD. PSCAD (Power Systems Computer Aided Design) - это мощный и гибкий графический интерфейс пользователя для всемирно известного модуля EMTDC для моделирования переходных процессов. PSCAD позволяет пользователю схематически проанализировать результаты построить и схему, управлять запустить данными в симуляцию, полностью интегрированной графической среде. Также включены функции построения графиков, элементы управления и счетчики, позволяющие пользователю изменять параметры системы во время моделирования и, таким образом, просматривать эффекты во время моделирования [30]. Для исследования процесса выявления насыщения магнитной системы по данным СВИ используем модель трансформатора тока «Current Transformer (CT) - JA Model» PSCAD (рисунок 20). Задается информация о количестве витков в первичной и вторичной обмотках, сопротивление вторичной нагрузки или её мощность, индуктивность рассеяния ТТ по вторичной обмотке, среднее сечение сердечника в м2, средняя длина пути магнитопровода, плотность магнитного потока в Тл, начальный ток в сердечнике магнитопровода (рисунок 21а), также можно либо выбрать данные магнитного материала 45

предлагаемые по умолчанию или задать пользовательские параметры материала сердечника (рисунок 21б). Рисунок 20 – Модель трансформатора тока «Current Transformer (CT) JA Model» Этот компонент моделирует трансформатор тока на основе теории ферромагнитного гистерезиса Джайлса-Атертона. Эффекты насыщения, остаточного гистерезиса и образования малых петель моделируются на основе физики магнитного материала. Измеренный первичный ток (в кА) является входом для модели, а выход – вторичным током (в амперах) через реле. а) б) Рисунок 21 – Параметры моделируемого трансформатора тока Работа данной модели сопровождается моделированием основной части силовой электрической сети и подачей сигнала тока от контрольной точки в 46

модель трансформатора тока. На рисунке 22 представлена осциллограмма первичного тока, подаваемого в модель ТТ. Рисунок 22 – Осциллограмма первичного тока, подаваемого в модель ТТ В результате работы модели можно наблюдать процесс искажения формы вторичного тока, вызванного насыщением магнитной системы ТТ, изображенного на рисунке 23. Рисунок 23 – Осциллограмма вторичного тока получаемой из модели ТТ На рисунке 24 приведена схема моделируемой сети и элементы создания тестовых замыканий в заданных узлах. 47

Рисунок 24 – Схема модели электрической сети 48

Данная модель оснащена средствами управления с возможностью выбора места и типа повреждения. На рисунке 25 приведена панель управления, позволяющая выбирать момент времени возникновения замыкания в сети в заданной точке и заданного типа, а также его продолжительность и величину переходного сопротивления в месте замыкания. Рисунок 25 – Управление местом и типом повреждения Позиция выбора места повреждения предполагает следующие точки на схеме сети. 1 FT1: Между трансформатором с высокой стороны и выключателем B1; 2 FT2: Между низкой стороной силового трансформатора и выключателем B2; 3 FT3: средняя точка на шинах низкого напряжения; 4 FT4: Между выключателем B4 и нагрузкой. Согласно разработанному плану эксперимента выполнено моделирование десяти режимов для двух точек возникновения замыканий. Выбраны точки FT1 и FT4. Начальный режим – нагрузочный, нормальная работа на нагрузку. Последующие режимы – это различные виды замыканий: 1) A-ground; 2) B- ground, 3) C- ground, 4) AB- ground, 5) AC- ground, 6) BCground, 7) ABC- ground, 8) AB, 9) AC. По результатам изменения угла первичного тока для ТТ 100/1 в течение времени моделирования для нормального и девяти аварийных режимов в точке P1 можно констатировать отсутствие существенных изменений (рисунок 26), поэтому в дальнейшем не представляет интереса отображать эту информацию в отчете. Существенные изменения угла фазора тока возникают лишь в момент отключения нагрузки или мгновенного подключения существенно большой по сравнению с текущим режимом нагрузки. 49

Рисунок 26 – Изменение угла первичного тока ТТ 100/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P1 Изменения углов фазоров вторичных токов, спланированных опытом моделирования представлены на рисунках 27 – 30 и в таблицах 2 – 5 далее. Рисунки 27, 29 соответствуют ситуациям насыщения магнитной системы ТТ. Рисунок 27 – Изменение угла вторичного тока ТТ 100/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P1 50

Таблица 2 – Данные изменения угла вторичного тока ТТ 100/1 в точке P1 Time 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 Alfa, degrees - no Fault 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 0,69 -0,42 0,58 0,11 -0,13 0,68 -0,42 0,59 0,11 -0,14 Alfa, degrees A-g Alfa, degrees B-g Alfa, degrees C-g Alfa, degrees AB-g Alfa, degrees AC-g 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 1,13 -20,31 -160,28 -66,12 -18,22 60,22 107,42 -159,70 -66,13 -19,28 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 0,16 8,52 -7,85 -48,48 0,97 58,85 23,08 -59,43 -47,00 -1,11 0,43 0,47 -0,22 0,50 -0,16 0,28 0,75 -0,46 0,42 -0,25 -0,01 -0,80 1,02 4,25 -1,99 -43,12 19,81 56,78 -25,91 -56,57 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 1,11 -10,75 -159,08 -66,09 -18,02 61,97 108,79 -159,71 -66,35 -18,97 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 1,12 -14,48 -159,63 -66,12 -18,65 60,85 108,06 -159,84 -66,18 -19,99 Alfa, degrees BC-g 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 0,75 15,38 -44,67 -43,20 8,52 65,05 30,09 -62,24 -44,86 2,80 Alfa, degrees ABC-g 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 -0,10 6,82 -1,11 -50,76 -0,20 58,34 22,57 -59,14 -46,42 -0,22 Alfa, degrees AB Alfa, degrees AC 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 -0,54 26,31 -51,36 -73,95 -78,08 -75,21 -60,10 -51,11 -73,48 -4,66 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 -0,88 0,94 -9,65 -55,04 -75,06 -77,07 -74,15 -54,04 -2,01 -0,58 Рисунки 28, 30 соответствуют ситуациям корректного выбора ТТ и отсутствию эффекта насыщения магнитной системы ТТ. Рисунок 28 – Изменение угла вторичного тока ТТ 400/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P1 51

Таблица 3 – Данные изменения угла вторичного тока ТТ 400/1 в точке P1 Time Alfa, degrees - no Fault Alfa, degrees A-g Alfa, degrees B-g Alfa, degrees C-g Alfa, degrees AB-g Alfa, degrees AC-g Alfa, degrees BC-g Alfa, degrees ABC-g Alfa, degrees AB Alfa, degrees AC 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,010 0,010 0,012 0,013 0,010 0,015 0,010 0,012 0,014 0,009 0,015 0,010 0,012 0,015 0,009 0,015 0,010 0,012 0,015 0,009 0,010 0,010 0,012 0,013 0,010 0,015 0,010 0,012 0,014 0,009 0,060 0,193 0,027 -0,289 -0,081 0,153 0,568 -0,183 -0,598 -0,155 0,007 0,016 0,018 0,011 0,009 0,008 0,012 0,019 0,012 0,012 0,098 0,443 -0,266 -0,082 0,076 0,338 0,636 -0,523 -0,146 0,100 0,016 0,018 0,011 0,008 0,009 0,011 0,019 0,013 0,011 0,010 0,002 0,072 0,271 -0,448 -0,235 -0,043 0,157 0,551 -0,652 -0,369 0,010 0,010 0,012 0,013 0,010 0,015 0,010 0,012 0,014 0,009 0,059 0,193 0,017 -0,281 -0,080 0,151 0,560 -0,171 -0,596 -0,154 0,010 0,010 0,012 0,013 0,010 0,015 0,010 0,012 0,014 0,009 0,059 0,196 0,015 -0,285 -0,080 0,151 0,561 -0,174 -0,595 -0,155 0,007 0,016 0,018 0,011 0,009 0,008 0,012 0,019 0,012 0,012 0,099 1,053 -0,275 -0,086 0,082 0,368 0,940 -0,586 -0,163 0,109 0,007 0,016 0,018 0,011 0,009 0,008 0,012 0,019 0,012 0,012 0,097 0,303 -0,251 -0,078 0,074 0,326 0,596 -0,506 -0,143 0,099 0,007 0,016 0,018 0,011 0,009 0,008 0,012 0,019 0,012 0,012 0,030 0,082 0,015 -0,032 -0,002 0,025 0,081 0,043 -0,005 -0,001 0,010 0,010 0,012 0,013 0,010 0,015 0,010 0,012 0,014 0,009 0,008 0,041 0,093 -0,005 -0,027 0,002 0,031 0,085 0,046 -0,011 Рисунок 29 – Изменение угла вторичного тока ТТ 100/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P4 52

Таблица 4 – Данные изменения угла вторичного тока ТТ 100/1 в точке P4 Time 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 Alfa, degrees - no Fault 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 0,69 -0,42 0,58 0,11 -0,13 0,68 -0,42 0,59 0,11 -0,14 Alfa, degrees A-g Alfa, degrees B-g Alfa, degrees C-g 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 -73,47 -166,66 -113,02 -120,24 -110,63 -146,29 -148,73 -51,49 -3,14 -12,93 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 89,77 -78,01 -77,42 -104,45 -122,05 -100,48 -49,43 7,68 -36,68 45,40 0,43 0,47 -0,22 0,50 -0,16 0,28 0,75 -0,46 0,42 -0,25 -107,82 124,18 -163,33 -40,80 -40,57 -77,11 -69,36 -45,37 -29,45 0,08 Alfa, degrees AB-g 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 98,20 -64,08 -13,91 -32,75 -36,37 12,53 -56,50 -40,50 -33,35 41,06 Alfa, degrees AC-g Alfa, degrees BC-g Alfa, degrees ABC-g Alfa, degrees AB Alfa, degrees AC 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 -75,71 -165,35 -103,57 -110,00 -107,25 -136,97 -141,42 -51,51 -3,17 -17,73 0,05 0,47 0,41 -0,25 0,53 -0,33 0,57 0,54 -0,43 0,44 88,55 -89,96 -109,06 -110,54 -147,57 159,01 -63,32 -45,62 -82,05 41,48 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 -89,45 -163,67 -80,34 -75,22 -96,87 -93,72 -53,49 -43,54 -9,11 -36,47 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 -92,19 -93,03 -66,18 -79,94 -95,95 -80,76 -44,81 -17,55 -2,62 164,78 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 -91,86 133,98 -80,28 -46,70 -73,06 -81,67 -50,12 -28,99 -5,88 -4,14 Рисунок 30 – Изменение угла вторичного тока ТТ 400/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P4 53

Таблица 5 – Данные изменения угла вторичного тока ТТ 400/1 в точке P4 Time Alfa, degrees - no Fault Alfa, degrees A-g Alfa, degrees B-g Alfa, degrees C-g Alfa, degrees AB-g Alfa, degrees AC-g Alfa, degrees BC-g Alfa, degrees ABC-g Alfa, degrees AB Alfa, degrees AC 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,19 -0,10 0,51 0,13 -0,07 0,67 -0,39 0,57 0,11 -0,12 0,69 -0,42 0,58 0,11 -0,13 0,68 -0,42 0,59 0,11 -0,14 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 -0,04 0,11 -0,21 -35,68 -39,71 -4,30 42,64 -0,33 9,14 88,83 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,04 0,11 -0,05 -0,02 0,03 0,46 0,11 -0,19 -1,52 59,79 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 -0,02 -0,01 0,12 0,02 -0,06 -0,03 0,13 0,22 0,04 2,00 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,05 0,08 -0,03 -0,03 0,02 0,10 0,02 -0,01 0,00 3,95 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 -0,05 0,12 0,09 -24,73 -36,46 -2,91 43,64 -0,31 9,21 85,86 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,04 0,12 -0,05 -0,04 -3,23 21,28 12,27 -19,13 -21,15 -30,80 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 -0,05 0,14 0,04 -0,95 -15,43 0,63 29,16 5,27 4,45 60,06 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 -0,04 0,17 -0,04 -0,04 -0,08 0,46 1,12 -0,14 -1,22 116,05 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 -0,02 0,00 0,18 -0,09 -0,02 0,01 0,42 0,13 0,09 -8,11 Необходимо отметить ситуацию повышения угла вторичного тока ТТ 400/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P4 связанного с моментом 0,37 секунды – отключения нагрузки. 2.3 Использование данных УСВИ в качестве исходной информации для резервных защит УСВИ были внедрены в энергосистему еще в 1980-х годах. Огромный опыт использования, разработки и эксплуатации УСВИ позволяет расширять функциональные возможности и сферы применения ИЭУ с поддержкой синхронизированных векторных измерений. Сегодня одним из перспективных направлений развития технологии СВИ является ее применение для выполнения функций управления, защиты и автоматики. Преимуществами СВИ (которые очень существенны для систем релейной защиты) несомненно являются их более высокая скорость 54

обновления информации по сравнению с телеметрией, точность этих измерений и синхронизация времени с глобальными навигационными спутниковыми системами, которые позволяют сравнивать измерения из разных частей энергосистемы. По итогам 47-ой сессии СИГРЭ были выявлены мировые тенденции развития техники и технологий РЗА, среди которых важным оказалось повышение функциональной и аппаратной интеграции устройств РЗА, а именно посредством применения технологии СВИ. Компании-производители микропроцессорных устройств РЗА не отстают от мировых тенденций. Например, в новом поколении защит Siprotec 5 фирмы Siemens реализован отдельный модуль PMU (Phasor Measurement Unit) (рисунок 31). А у одного из мировых лидеров по продвижению устройств векторных измерений, компании SEL, измерения синхровекторов производятся не только в УСВИ, но и в многофункциональных измерительных преобразователях (МИП) телемеханики, устройствах РЗА и даже в измерительных устройствах (счетчики электроэнергии, приборы измерения качества электроэнергии) [31]. 55

Рисунок 31 – Модули PMU в составе терминала нового поколения защит Siprotec 5 фирмы Siemens Многие отечественные и зарубежные авторы также уже работают в данном направлении, предлагая свои идеи реализации функций РЗА на основе данных СВИ. Так, например, в [32] автор приводит пример возможного использования синхронизированных векторных измерений для реализации устройств РЗА отдельных присоединений, дифференциальной защиты шин (ДЗШ), централизованной автоматики (ЦА) управления нормальными и аварийными режимами, а также для АСУ ТП подстанции (рисунок 32). При этом автор отмечает, что при использовании синхровекторов вместо выборочных значений тока и напряжения резко снижается трафик по шине процесса, упрощается реализация продольных дифференциальных защит и дифференциальных защит шин, централизованных устройств управления нормальными и аварийными режимами работы. 56

Рисунок 32 – Реализация устройств РЗ В [33] авторы исследовали совместимость существующих устройств PMU с алгоритмами РЗА, доказав, что PMU со скоростью передачи данных менее 50 в секунду не подходят для реализации алгоритмов релейной защиты из-за медленного отклика алгоритма. Однако в ближайшее время будут появляться новые устройства, соответствующие вышеперечисленным техническим требованиям. Авторы [34] предложили алгоритм для мониторинга работы 3 зоны дистанционной защиты с использованием технологии синхрофазора, основанный на мониторинге изменения потоков реактивной мощности на линиях электропередачи. Применение разработанного метода вместе с уже используемыми методами позволяет повысить надежность защиты в различных ситуациях. Основываясь на огромном опыте уже имеющихся исследований в данной области, в данной работе будет рассмотрена возможность использования данных УСВИ в качестве исходной информации для защит. А именно для выявления факта насыщения измерительных трансформаторов тока. Согласно проведенным экспериментальным исследованиям в п. 2.2 настоящей работы можно отметить, что при любом виде короткого замыкания 57

трансформатор с насыщенной магнитной системой характеризуется гораздо большим изменением угла вторичного тока ТТ (до 150 градусов), нежели трансформатор без насыщения (до 40 градусов). Таким образом, своевременное определение изменения угла вторичного тока измерительных ТТ поможет зафиксировать факт насыщения. Так как одним из обязательных измеряемых параметров УСВИ является угол тока/напряжения, данная технология подходит для решения поставленной цели – фиксации факта насыщения измерительных ТТ. Безусловно, этот процесс будет занимать определенное время, поэтому для алгоритмов основных защит, действующих без выдержки времени, он не подойдет. Исходя из данного условия, будем рассматривать применение технологии СВИ только для резервных защит. Вывод ко 2 главе Во 2 главе дан краткий обзор технологии синхронизированных векторных измерений, проведен эксперимент, моделирующий участок энергосистемы с насыщенными и ненасыщенными измерительными трансформаторами тока, а также рассмотрена возможность использования данных СВИ в качестве исходных для резервных защит. СВИ очень актуальны на данный момент и имеют множество применений в электроэнергетике. Поэтому в данной главе уделено внимание их основным принципам построения, преимуществам по сравнению с классической телеметрией, а также требованиям, предъявляемым Стандартами. Далее была смоделирована часть энергосистемы в ПК PSCAD, где измерялся угол вторичного тока ТТ при различных видах и местах расположения КЗ, а также для различной степени насыщения ТТ. Благодаря проведенному эксперименту, было выявлено, что при любом виде короткого замыкания трансформатор с насыщенной магнитной системой 58

характеризуется гораздо большим изменением угла вторичного тока ТТ (до 150 градусов), нежели трансформатор без насыщения (до 40 градусов). На основании вышеописанного эксперимента был сделан вывод о том, что технология СВИ может быть применена для определения момента насыщения ТТ, посредством контроля изменения угла вторичного тока ТТ. Также был дан обзор уже имеющихся работ и исследований по применению технологии СВИ совместно с устройствами РЗА, из которого следует отметить, что уже сегодня ряд зарубежных производителей использует данную технологию для реализации продольных дифференциальных защит и дифференциальных защит шин. 59

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА НАСЫЩЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СИГНАЛА ТОКА ДЛЯ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Из Лист № документа Подпись м Дипломник Стребкова Т.В. Руководи т. Мамаев В.А. Дата Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит Лит Лист Листов М ЭЭТ-м-о-18-1 60

Задача, поставленная в работе, состоит в разработке алгоритма защиты не чувствительного к большим погрешностям ТТ в переходных режимах [35]. Для решения поставленной задачи необходимо выделить две подзадачи, решаемые современными авторами в своих работах. Первая состоит в определении диапазона правильной трансформации сигнала трансформатором тока, называемая сегментацией сигнала. Для защит, обладающих одной точкой наблюдения, таких как дистанционные или токовые защиты, предлагается множество вариантов алгоритмов сегментации [36-38]. Вторая задача состоит в восстановлении тока при условии насыщения магнитопровода ТТ, которой посвящено много работ отечественных авторов [16-20], и зарубежных публикаций [21-23]. 3.1 Определение интервалов правильной трансформации сигнала Как известно, прежде чем поступающий сигнал будет обработан логикой устройства, он оцифровывается аналогово-цифровыми преобразователями, а очень часто еще и подвергается фильтрации перед дискретизацией. В задачах восстановления отдельное внимание уделяется вопросам сегментации. В первую очередь, важно понимать, что является сегментацией сигнала тока. Так как существует проблема нелинейного искажения сигнала наблюдаемого тока, которое происходит вследствие насыщения трансформатора тока, нам необходимо выделять движение рабочей точки по нормальному участку характеристики намагничивания стали трансформатора. Это участок правильной трансформации, и ему соответствуют интервалы правильной трансформации. В кривой наблюдаемого тока они появляются всякий раз при выходе из области насыщения [39]. Сегментация призвана выделить интервалы правильной трансформации, возникающие в те промежутки времени, когда магнитопровод трансформатора тока выходит из насыщения, и подготовить условия для восстановления искаженного тока. 61

Известны способы определения интервалов однородности путем формирования двумерного сигнала и воздействия этим сигналом на распознающий модуль (исполнительное реле) [40, 41]. В этих способах применена своеобразная процедура формирования двумерного сигнала. Отсчеты наблюдаемого тока обрабатывают фильтром ортогональных составляющих, формирующим комплексный выходной сигнал, а затем его отсчеты обрабатывают попарно. Данная процедура сужает функциональные возможности способа. Дело в том, что интервал правильной трансформации в условиях сильного насыщения трансформатора тока может составлять всего лишь 3-4 миллисекунды, и всей информацией, содержащейся на столь малом интервале, желательно распорядиться в полной мере. Известно техническое решение, в котором ставится цель полного охвата всего участка правильной трансформации в процессе цифровой обработки наблюдаемого тока [42]. Однако общее решение задачи оказалось весьма сложным и малоподходящим для восстановления искаженного тока. Полезным для практики стало использование модельного сигнала. Но следующая операция – настройка адаптивного фильтра на подавление этого сигнала и далее разделение фильтра на два преобразователя – все это придает способу оригинальность, но очевидным образом усложняет его. В предлагаемом авторами алгоритме восстановления применяется способ оценки момента возникновения искажений сигнала вследствие насыщения магнитной системы ТТ по величине производной сигнала, основанного на двух выборках значений. Авторская реализация поиска амплитуды вектора по алгоритму двух выборок для задачи восстановления сигнала представлена на рисунке 33 в виде подпрограммы модуля анализа данных в среде Labview FPGA, протестированного далее в эксперименте на шасси cRio-9118 с ПЛИС Virtex5 LX110 под управлением промышленного контроллера cRio-9025 [43, 44]. 62

Рисунок 33 – Осциллограммы сигналов первичного, вторичного токов и значений производной сигнала вторичного тока По данным осциллограмм очевидно однозначная идентификация момента возникновения искажения, как на первом полупериоде, где изменение формы сопровождается резким увеличением значения производной, так и на последующих полупериодах с значительно меньшими искажениями формы, но также обозначенными выбросами значений производной. 3.2 Составление алгоритма восстановления сигнала на основе алгоритма двух выборок На рисунке 34 представлен алгоритм восстановления сигнала искаженного тока. 63

НАЧАЛО 1 Входной фильтр частот; Оценка частоты сигнала f, Hz; Выбор и задание частоты дискретизации Fd, S=0 – сегментации 2 Работа АЦП с заданными параметрами диапазона наблюдения 3 Сегментация сигнала Расчет производной dy/dt=(y(t)-y(t-h))/h 9 Нет S=1 Да 4 Нет dy/dt>D Да 5 10 Да S=1 Нет Y`(ti)-Y(ti)<e 6 Получение выборок i(nTd) и i(nTd-mTd) сигнала с интервалом mTd, принадлежащих области неискаженного сигнала 11 Y(ti)=Y`(ti) 12 Проверка условия срабатывания токовой защиты 7 Вычисление мгновенного значения Y(ti), соответствующего текущим координатам времени ti по данным восстановленных параметров сигнала Im и j на основе алгоритма двух выборок 8 Оценка значения апериодической составляющей сигнала КОНЕЦ Рисунок 34 – Алгоритм функционирования устройств релейной защиты с функцией определения момента насыщения и восстановления сигнала тока Согласно предлагаемому алгоритму событие сегментации запускает процесс восстановления данных сигнала тока по алгоритму двух выборок, описанному в 1 главе, с последующей идентификацией апериодической составляющей и потоковой подменой значений вторичного тока 64

восстановленными. Условием возврата в исходное состояние оценки текущих измерений является условие достижения разницы восстановленной и измеренной величин значения допустимой погрешности e, предварительно заданной. 3.3 Разработка надстройки для сервера СВИ Для того, чтобы говорить о совместном применении технологии СВИ и устройств релейной защиты, необходимо обозначить требования, которым они должны удовлетворять. В общем случае, требования к устройствам, использующим СВИ описаны в Стандарте С37.118.2-2011. Выделим основные требования интеграции обеих технологий: 1. Обмен данными между системами должен производиться по стандартным протоколам, в качестве основного варианта передачи СВИ в режиме on-line должен применяться протокол IEEE C37.118.2. Также могут быть применены протоколы: IEC 61850-8-1 (MMS); IEC 61850-9-2 LE (SV); IEC 60870-5-104; FTP. 2. Класс точности УСВИ – Р, так как они предназначены для применения в составе локальных систем автоматического управления или для задач, требующих минимального времени отклика УСВИ. 3. Класс точности измерительных трансформаторов тока и напряжения должен быть не хуже 0,5. Измерительные трансформаторы должны соответствовать электродинамической и требованиям термической ПУЭ по классу стойкости, напряжения, климатическому исполнению, не допускается применение промежуточных трансформаторов тока. 4. Должна обеспечиваться минимальная задержка передачи данных. На рисунке 35 показано измерение задержки сообщения, где 𝐹𝑠 – частота дискретизации. 65

Рисунок 35 – Измерение задержки сообщения 5. Оба устройства должны иметь синхронизацию времени с помощью сигналов единого точного времени ГЛОНАСС / GPS. Реле можно синхронизировать по времени через сеть Ethernet, используя протокол точного времени IEEE 1588 версии 2 (PTPv2). 6. Частота дискретизации передачи, приема и обработки сигналов должна совпадать во всех устройствах. Интеграцию устройств РЗ и СВИ можно осуществить двумя способами: раздельно и встроенно. Как уже говорилось, многие зарубежные производители начали производство терминалов защит с встроенным модулем PMU, однако на российском рынке данные модели еще не представлены. Поэтому будем рассматривать раздельную интеграцию УСВИ и РЗА. На рисунке 36 представлен вариант связи устройств. Рисунок 36 – Структурная схема связи устройств РЗ и СВИ 66

На вышеприведенном рисунке видна связь блока РЗ (RP) и концентратора синхронизированных векторных данных (PDC), который объединяет данные от всех УСВИ (PMU) на подстанции. Надстройку по определению момента насыщения ТТ, посредством вычисления изменения угла вторичного тока ТТ, можно установить в любой из вышеперечисленных блоков. Однако необходимо учесть возможности и характеристики различных устройств. Если они не будут обладать, как минимум, гибкой логикой, то возникнут затруднения. Поэтому условимся, что устанавливать надстройку будем в блок HMI (компьютер инженера подстанции). Так как мы уже имеем основной алгоритм по восстановлению сигнала тока, то необходимо всего лишь добавить для него условие по определению момента насыщения. Алгоритм иллюстрирующий данное условие изображен на рисунке 37. Рисунок 37 – Надстройка для определения момента насыщения ТТ 67

Данное дополнение к алгоритму, представленному в пункте 3.2, показывает, как на основе данных (а именно угла вторичного тока ТТ) УСВИ можно зафиксировать насыщение ТТ. Так как экспериментальные данные выявили ситуацию повышения угла вторичного тока ТТ 400/1 в течение времени для нормального и девяти аварийных режимов в точке P4 связанного с моментом 0,37 секунды – отключения нагрузки, то необходимо учитывать данный момент. Блок 4 иллюстрирует определение времени отключения нагрузки. Далее идет сравнение измеряемого угла с заданной уставкой. При выполнении условия производится расчет времени, фиксирующего разницу времени превышения угла и времени отключения нагрузки. Затем данное значение сравнивается с уставкой 0,3 с (так как именно это время зафиксировано в ряде экспериментов). Если условие не выполняется, то это означает, что трансформатор вошел в область насыщения, и алгоритм переходит к восстановлению сигнала. Вывод к 3 главе Третья глава настоящей работы посвящена разработке алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты. Решение поставленной задачи условно состоит из двух частей. В первую очередь, было рассмотрено определение интервалов правильной трансформации сигналов. В предлагаемом авторами алгоритме восстановления применяется способ оценки момента возникновения искажений сигнала вследствие насыщения магнитной системы ТТ по величине производной сигнала, основанного на двух выборках значений. Далее предложен непосредственно сам алгоритм восстановления сигнала тока, в котором событие сегментации запускает процесс восстановления данных сигнала тока по алгоритму двух выборок, описанному 68

в 1 главе, с последующей идентификацией апериодической составляющей и потоковой подменой значений вторичного тока восстановленными. Также предложен альтернативный вариант определения момента насыщения: не посредством вычисления производной, а с помощью данных от устройств синхронизированных векторных измерений. Данное дополнение к алгоритму, представленному в пункте 3.2, показывает, как с помощью угла вторичного тока ТТ, полученного от УСВИ, можно зафиксировать насыщение ТТ. 69

4 РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА НАСЫЩЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СИГНАЛА ТОКА НА БАЗЕ ПК LABVIEW ВКР – СКФУ – 13.04.02 – 182413 – 2020 Из Лист № документа Подпись м Дипломник Стребкова Т.В. Руководи т. Мамаев В.А. Дата Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит Лит Лист Листов М ЭЭТ-м-о-18-1 70

4.1 Создание программы и ее отладка Согласно алгоритму, приведенному на рисунке 34, было реализовано ПО в среде LabView FPGA, предназначенное для обработки сигналов, оцифрованных измерительным модулем. Оно содержит подпрограммы выполняющие логическую обработку данных согласно алгоритму по определению момента насыщения магнитной системы ТТ и восстановлению сигнала тока с последующим восстановлением данных о сигнале и переходом от алгоритма восстановления к измеренным значениям тока при существенном снижении разницы между ними. На рисунке 38 приведена структура ПО, реализованного для целей восстановления сигнала тока. Рисунок 38 – Реализация поиска амплитуды вектора по алгоритму двух выборок 71

4.2 Оценка реализованного алгоритма на соответствие требованиям по быстродействию и селективности работы Для оценки времени выполнения подпрограмм, реализующих основные операции сегментации и восстановления сигнала тока применена методика поиска разницы тактовых отсчетов осциллятора до и после выполнения кода. Необходимо отметить высокую скорость выполнения частей алгоритма двух выборок, реализованных в LabView FPGA, посвященных поиску амплитуды и фазы вектора, характеризующего сигнал. Высокая скорость реализуется за счет частоты осциллятора перепрограммируемой матрицы в 40 МГц. Однако значимым является оценка машинных тактов, составляющих 75 тактов для подпрограммы вычисления амплитуды вектора (рисунок 35) и 125 тактов для подпрограммы вычисления угла вектора. Задачи являются параллельными, что задает общее время выполнения по максимальному количеству тактов одного из элементов. 4.3 Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока выполнен на экспериментальной установке, в состав которой входят: источник тока, в качестве которого применялся РЕТОМ-21, который позволяет задавать ток в пределах от 1 А до 700 А, измерительный комплекс для фиксации осциллограмм тока в различных диапазонах состоящий из шасси cRio-9118 с ПЛИС Virtex-5 LX110 [43] под управлением промышленного контроллера cRio-9025 [44], и измерительного модуля NI9239 [45], а также шунты на ток 10 и 75 А с классом точности 0,2. Согласно [46], были оценены погрешности применяемой системы измерений. Схема установки для проведения исследований представлена на рисунке 39. 72

Напряжение с шунтов поступало на модуль NI9239, который имеет следующие характеристики [45]: погрешность коэффициента усиления 0,03%, погрешность смещения 0,008%, погрешность определения фазы 0,005 градуса, допустимый диапазон напряжений ±10 В, внутреннее сопротивление 1 МОм. Для стабилизации измерительной системы температура в помещении при проведении измерений, а также всей аппаратуры поддерживалась на уровне 23±2°С. Частота дискретизации составляла 50 кГц на канал. В измерительной системе использовался стабилизированный источник питания, кроме того, использовался внешний стабилизатор напряжения, который на выходе поддерживал первичное напряжение питания измерительной схемы 220±3 В. ЭВМ LabView Ethernet NI9239 Chunt 1 J cRio-9025 2 Ретом-21 Chunt Zload Рисунок 39 – Схема экспериментальной установки Программное обеспечение, реализованное в среде LabView и предназначенное для обработки сигналов, оцифрованных измерительным модулем, содержит подпрограммы выполняющие логическую обработку данных согласно алгоритму рисунка 34 по определению момента насыщения магнитной системы ТТ и восстановлению сигнала тока с последующим восстановлением данных о сигнале и переходом от алгоритма восстановления 73

к измеренным значениям тока при существенном снижении разницы между ними. В результате практических замеров получены осциллограммы токов с моментами насыщения магнитопровода ТТ, а также осциллограммы с элементами восстановления сигнала на участках искажения формы (рисунок 40). Рисунок 40 – Осциллограммы токов экспериментальных замеров Достаточно существенным различием в действующих значениях токов характеризуются осциллограммы сигналов тока в периоды насыщения магнитной системы и в результате их сегментированного восстановления, что можно наблюдать на рисунке 41. Рисунок 41 – Результат обработки экспериментальных замеров 74

4.4 Оценка погрешности применяемой системы измерений Таким образом, если оценить суммарную токовую погрешность по приближенной формуле [46], то она равна 0,22% при использовании токового шунта и модуля NI9239. При оценке погрешностей экспериментальной установки были произведены многократные измерения токов в диапазоне 0,4-50 А, в которых эталоном являлся модуль измерения тока NI 9227 [47], временно подключаемый в схему для предварительной калибровки, а в качестве проверяемых средств измерения выступали шунты на токи 10 и 75 А. При этом было установлено, что применяемые шунты имеют относительную некомпенсированную систематическую погрешность +0,15 % в данном диапазоне измерений. Эта погрешность была скомпенсирована программным способом в дальнейших экспериментах. Таким образом, при использовании сочетания блока NI 9239 и токовых шунтов может быть собрана экспериментальная установка с классом точности 0,1, чего вполне достаточно для данного исследования. Фазовая погрешность измерения определялась, в основном, ошибкой измерения фазы между модулями NI 9227 и NI 9239 при использовании токовых шунтов и составляла величину порядка 0,5 мин. Погрешности по фазе, вносимые соединительными проводами и токовыми шунтами, пренебрежимо малы по сравнению с погрешностью измерительной части и поэтому не учитывались в дальнейших замерах. Вывод к 4 главе В данной главе были решены следующие задачи: реализован алгоритм определения момента насыщения и восстановления сигнала тока на базе ПК LabView, произведена оценка реализованного алгоритма на соответствие требованиям по быстродействию и селективности работы, проведен 75

физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока, и обозначена оценка погрешности применяемой системы измерений. Согласно алгоритму, приведенному в п. 3.2, было реализовано ПО в среде LabView FPGA, предназначенное для обработки сигналов, оцифрованных измерительным модулем. В процессе исследований был проведен физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока, результаты которого удовлетворяют поставленным условиям. А именно, была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок, реализованного в ПТК LabView FPGA (125 тактов машинного времени), фазовая погрешность измерения и относительная некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений. 76

Заключение Проблема, поставленная в данном исследовании, является достаточно обширной, затрагивающей множество связанных вопросов и обсуждений. Также указанные задачи в работе характеризуется невозможностью поиска их однозначного и единственно верного решения. Однако в своих исследованиях мы постарались найти наиболее оптимальный путь. Изначально был выявлен первый и самый распространенный источник искажений, провалов и шумов в сигналах токов или напряжений – высшие гармоники. Второй источник, который частично является следствием первого, – это явление насыщения измерительных трансформаторов. Именно вследствие насыщения измерительных ТТ устройства РЗА некорректно срабатывают и приводят к огромным системным авариям, обзор и анализ которых был произведен в первой главе работы. Масштабы последствий от подобных аварий (деление энергосистемы, отключение более 2000 МВт потребителей) доказывают актуальность исследований по выбранной теме. Установлено, что в настоящее время ещё не найдено универсальное решение задачи формирования по параметрам вторичного тока сигнала, пропорционального первичному току ТТ, которое может быть успешно использовано в различных видах устройств релейной защиты. Также на основании проведенного ряда экспериментов был сделан вывод о том, что технология СВИ может быть применена для определения момента насыщения ТТ, посредством измерения изменения угла вторичного тока ТТ. По причине того, что в режимах глубокого насыщения трансформатора возникает искажение измеренного сигнала, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию. Это приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит. Для решения данной проблемы нами был предложен алгоритм восстановления сигналов тока и 77

напряжения, в основу которого положен алгоритм двух выборок, широко применяемый в технике цифровой обработки сигналов и не требующий значимых затрат машинного времени. На основе составленного алгоритма было реализовано ПО в среде LabView FPGA, которое в процессе физического эксперимента было протестировано и оценено на наличие погрешностей. Была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок, реализованного в ПТК LabView FPGA (125 тактов машинного времени), фазовая погрешность измерения и относительная некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений. В итоге мы получили готовое решение проблемы неправильного срабатывания УРЗА вследствие насыщения измерительных ТТ, заключающееся в использовании алгоритма восстановления сигнала тока на основе данных, получаемых от УСВИ, и интегрированное с резервными защитами. Если установить данное ПО, например, на АРМ инженера подстанции, то можно исключить появление огромных аварий в энергосистеме, в результате которых выходит из строя дорогостоящее оборудование, а также отключается значительная доля потребителей. 78

Список использованных источников 1. Годовой отчет ОАО «ФСК ЕЭС» за 2010 год [Электронный ресурс]. www.fsk-ees.ru/upload/docs/fsk_ees_ru_1108/production/improvement.html (Дата обращения: 11.02.2020). 2. Смирнов С.С. Высшие гармоники в сетях высокого напряжения. – Новосибирск: Наука, 2010.– 327 с. 3. Коваленко Д. В., Плотников Д. И., Шакенов Е. Е., Кулинич И. О. Негативное воздействие токов высших гармоник на элементы системы электроснабжения // Молодой ученый. — 2016. — №28. — С. 102-105. — URL https://moluch.ru/archive/132/36981/ (дата обращения: 17.02.2020). 4. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. − М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.: ил. 5. Пасынков Ю. А., Савиных М. А. Трансформатор тока в магнитном поле // Молодой ученый. — 2017. — №24. — С. 188-193. — URL https://moluch.ru/archive/158/44626/ (дата обращения: 17.02.2020). 6. Международный стандарт МЭК 61869-2: 2012 "Трансформаторы измерительные. Часть 2. Дополнительные требования к трансформаторам тока" (IEC 61869-2:2012 Instrument transformers - Part 2: Additional requirements for current transformers). 7. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб, Питер, 2007. 8. Солонина А., Улахович Д., Яковлев Л. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. – СПб., «БЧВ-Петербург», 2002. 9. Матвеев Ю.Н., Симончик К.К., Тропченко А.Ю., Хитров М.В. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ Учебное пособие по дисциплине "Цифровая обработка сигналов". – СПб: СПбНИУ ИТМО, 2013. – 166 с. 10. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. СПб., Политехника, 1999. 11. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. — М.: Мир, 1979. — 318 с. — 14 000 экз. — УДК 621.391.82. 79

12. ГОСТ Р 50571–4–44–2011 (МЭК 60364–4–44:2007) Электроустановки низковольтные. Часть 4– 44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех. – М.: Издательство стандартов, 2012. – 49 с. 13. Collins, E.R. Analysis of elevated neutral-to-earth voltage in distribution systems with harmonic distortion / E.R. Collins, J. Jiang // IEEE Transactions on power delivery. – DOI: 10.1109/TPWRD.2009.921143. – 2009. – Vol. 24, No. 3 July. – P. 1696–1702. 14. Галалу, В.Г. Методы подавления помех на входах аналого-цифровых преобразователей: монография / В.Г. Галалу. – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2011. – 226 с. 15. Киракосян С. А. Разработка и исследование методов повышения точности и помехоустойчивости быстродействующих устройств ввода аналоговой информации: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Таганрог: ЮФУ – 2018. – 144с. 16. Способ компенсации погрешности трансформатора тока [Текст] : пат. 2526834 Российская Федерация : МПК H01F27/42, H01F38/28 / Ванин В. К., Попов М. Г., Попов С. О. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СПбГПУ». – № 2012154956/07 ; заявл. 18.12.2012 ; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24. – 12 с. 17. Кужеков, С. Л. О восстановлении периодической составляющей первичного тока трансформатора тока в переходном режиме / С. Л. Кужеков, А. А. Дегтярёв // Изв. вузов. Электромеханика. – 2011. – № 3. – С. 29-31. 18. Кужеков, С. Л. Анализ способов восстановления информации о первичном токе трансформатора тока, работающего с насыщением сердечника / С. Л. Кужеков, А. А. Дегтярёв, Б. Б. Сербиновский // Релейная защита и автоматизация. – 2017. – № 3. – С. 43-51. 19. Лямец, Ю. Я. Оптимизационный подход к восстановлению нелинейно искаженного тока / Ю. Я. Лямец, А. В. Шевелев // РЗАУЭ: матер. 80

науч.-техн. конф, посвящ. 40-летию ОАО «ВНИИР». – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. – 2001. – С. 52–54. 20. Лямец, Ю. Я. Мониторинг процессов в электрической системе, Ч.1. Преобразование, сегментация и фильтрация / Ю. Я. Лямец, Ю. В. Романов, Д. В. Зиновьев // Электричество. – 2006. – № 10. – С. 2-10. 21. Hajipour, E. Current-Transformer Saturation Compensation for Transformer Differential Relays / E. Hajipour, M. Vakilian, M. Sanaye-Pasand // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2015. – Vol. 30 (5). – P. 2293-2302. doi: 10.1109/TPWRD.2015.2411736. 22. Pan, J. An Efficient Compensation Algorithm for Current Transformer Saturation Effects / J. Pan, K. Vu, Y. Hu // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2004. – Vol. 19 (4). – P. 1623-1628. 23. Wiszniewski, A. Correction of current transformer transient performance /A. Wiszniewski, W. Rebizant, L. Schiel // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2008. – Vol. 23(2). – P. 624-632. doi: 10.1109/TPWRD.2008.915832. 24. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010. Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока // Москва: Стандартинформ. – 2012. – 98 с. 25. Никитин А.А. Цифровая релейная защита. Основы синтеза измерительной части микропроцессорных реле: текст лекций / А.А. Никитин. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. – 240 с. 26. Мыльников В.А. Исследования и разработка методов повышения точности определения места короткого замыкания на высоковольтных линиях 110-220 кВ: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.14.02 // Мыльников Владимир Аркадьевич. – Иваново. – 2002. – 22 с. 27. Кужеков С.Л., Сербиновский Б.Б. Выделение основной гармоники сигнала трансформатора тока в режиме насыщения: Препринт. – СПб.: ОЭЭП РАН. – 2003. – 39 с. 81

28. ГОСТ 8.567-2014 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Измерения времени и частоты. Термины и определения». 29. Стандарт синхронизированных Релейная защита и автоматика. Векторных измерений. Нормы и Устройства требования / РАЗРАБОТАН: акционерным обществом «Системный оператор Единой энергетической системы» / СТО 59012820.29.020.011-2016, Москва – 37 с. 30. USER’S GUIDE on the use of PSCAD Power Systems Computer Aided Design. 244 Cree Crescent, Winnipeg, Manitoba, Canada R3J 3W1. 31. Kezunovic М., Meliopoulos S., Venkatasubramanian V., Vittal V. Application of Time-Synchronized Measurements in Power System Transmission Networks. — NY: Springer, 2014. — 190 p. 32. Мокеев А. В. Применение технологии СВИ для выполнения функций управления, защиты и автоматики [Электронный ресурс] : http://digitalsubstation.com/blog/2018/03/05/primenenie-tehnologiisinhronizirovannyh-vektornyh-izmerenij-svi-dlya-vypolneniya-funktsijupravleniya-zashhity-i-nbsp-avtomatiki/ (дата обращения: 12.04.2020). 33. P. M. Avdonin, A. D. Krasnoslov and T. G. Klimova, "Use of Measurements of the Phasor Measurement Unit for High-Speed Relay Protection of Various Energy Objects," 2018 International Youth Scientific and Technical Conference Relay Protection and Automation (RPA), Moscow, 2018, pp. 1-14. 34. D. M. Timofeev and T. G. Klimova, "Analysis of Possibility of Using Pmu Based Methods for Providing the Correct Operation of Distance Protection," 2018 International Youth Scientific and Technical Conference Relay Protection and Automation (RPA), Moscow, 2018, pp. 1-14. 35. Нудельман, Г. С. Задача противодействия насыщению ТТ значительно шире [Электронный ресурс] / Г. С. Нудельман, С. Л. Кужеков // Новости электротехники. – 2009. – № 1. – Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2009/55/07.php (Дата обращения: 11.08.2019). 36. Способ определения интервалов однородности электрической величины [Текст]: пат. 2308137 Российская Федерация: МПК H02H3/28 / 82

Лямец Ю. Я., Зиновьев Д. В., Романов Ю. В.; заявитель и патентообладатель Исслед. центр «Бреслер». – № 2006122571/09; заявл. 23.06.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28. – 7 с. 37. Способ определения интервалов однородности электрической величины [Текст]: пат. 2316870 Российская Федерация: МПК H02H3/38, G01R31/02 / Лямец Ю. Я., Зиновьев Д. В., Романов Ю. В.; заявитель и патентообладатель Исслед. центр «Бреслер». – № 2006123893/09; заявл. 03.07.2006; опубл. 10.02.2008, Бюл. № 4. – 7с. 38. Способ определения интервалов однородности электрической величины [Текст]: пат. 2418268 Российская Федерация: МПК G01D1/06, G01R31/02 / Куликов А. Л.; заявитель и патентообладатель Куликов А. Л. – № 2010108840/28; заявл. 09.03.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13. – 7 с. 39. Патент РФ №1817153, кл. Н01Н 83/22, 1991. 40. Патент РФ №2012086, кл. Н01Н 83/22, 1991. 41. Патент РФ №2012971, кл. Н02Н 3/38, Н01Н 83/20, 1991. 42. Патент РФ №2082270, кл. Н02Н 3/38, Н02Н 7/045, 1994. 43. NI cRIO-9025 USER MANUAL AND SPECIFICATIONS Intelligent Real-Time Embedded Controller for CompactRIO [Электронный ресурс] http://www.ni.com/pdf/manuals/375490d.pdf (Дата обращения: 29.04.2020). 44. NI cRIO-9111/9112/9113/9114/9116/9118 USER MANUAL AND SPECIFICATIONS CompactRIO [Электронный ресурс] Reconfigurable Embedded Chassis. http://www.ni.com/pdf/manuals/375079e.pdf (Дата обращения: 29.04.2020). 45. Operating instructions and specifications NI 9229/9239 4-Channel, ±60 V/±10 V, 24-Bit Simultaneous, Channel-to-Channel Isolated Analog Input Modules. 46. 50.2.038-2004 «ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений» утверждены и введены в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 октября 2004 г. № 43-ст. 83

47. Operating instructions and specifications NI 9227 4-Channel, 5 Arms, 24Bit, Simultaneous, Channel-to-Channel Isolated Analog Input Module. 84

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Татьяна Стребкова

Рецензия содержит в себе заключение о степени соответствия темы и содержания ВКР заданию, краткую общую характеристику выполненной ВКР, степень использования студентом последних достижений науки и техники, достоинства ВКР. Рецензия составлена и подписана главным специалистом СЭР ОДУ Юга, Сидоровым Кириллом Александровичем.

около 4 лет назад

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв