Испытания цифровых измерительных органов релейной защиты, реагирующих на приращения векторных величин, в режимах нелинейного изменения синусоидального тока

Введение

Цифровые измерительные органы (ЦИО) релейной защиты (РЗ), реагирующие на приращения векторных величин тока, широко применяются в микропроцессорных устройствах РЗ в качестве пусковых органов высокочастотных (ВЧ) защит линий электропередачи, блокировок дистанционных защит при качаниях и асинхронном ходе, при неисправностях в цепях напряжения и др. Данные ЦИО РЗ имеют определённые особенности, связанные с выбором параметров срабатывания и их проверкой [1÷5].

Уставки (параметры срабатывания) указанных ЦИО задаются в амперах (А), а реакция (состояние выхода) ЦИО зависит от величины изменения действующего значения тока за один или несколько промежутков времени выделения приращения, определяемых алгоритмом ЦИО. Фактически, указанные ЦИО РЗ, в зависимости от алгоритма, реагируют на изменение величины вектора тока за время в соответствующей их порядку степени: А/с, А/с², А/с³ и т.д.

Алгоритм функционирования ЦИО реагирующих на приращения вектора тока в общем виде может быть представлен на основе формулы для производной высших порядков:

где m – порядок ЦИО приращения вектора тока; k – множитель времени измерения приращения; T_Д– период дискретизации ЦИО; N – количество цифровых отсчётов алгоритма ЦИО; n – текущий номер цифрового отсчёта.

Распространение получили ЦИО приращения первого и высших (второго и третьего) порядков [5÷8]. Общее выражение для ЦИО приращения вектора тока 1-го порядка, согласно (1), имеет вид:

Как правило, в алгоритмах ЦИО РЗ приращение измеряется за величину k периодов NT_Д, кратную периоду, половине или четверти периода. С увеличением порядка ЦИО приращения, как правило, увеличивается время переходного процесса в ЦИО. Общее выражение для ЦИО приращения вектора тока 2-го порядка имеет вид:

Выражение для ЦИО приращения вектора тока 3-го порядка в общем случае имеет вид:

Для вычисления векторов измеряемых значений тока и напряжения, как правило, в алгоритмах ЦИО РЗ применяется дискретное преобразование Фурье [9].

ЦИО приращения вектора тока, выполненные на основе выражений выше, могут быть представлены комбинацией (последовательным включением) цифровых фильтров, включающих фильтр Фурье и нерекурсивный (КИХ) фильтр [2]. Указанный нерекурсивный фильтр выделения приращения векторной величины в некоторых источниках называется фильтром аварийных составляющих – ФАС [5].

Структурная схема ЦИО, реагирующего на приращение векторного значения тока, приведена на рис. 1. В качестве входного сигнала для ЦИО приращения, в общем случае, может использоваться фазная величина или симметричная составляющая тока.

Рис. 1 – Структура ЦИО реагирующего на приращение вектора тока

Особенности проверки ЦИО приращения вектора тока

Проверка ЦИО приращения разных порядков, в соответствии с заводскими методиками и протоколами испытаний, выполняется однотипно – подачей синусоидальных импульсов (рис. 2), что не даёт возможности оценить динамику измерительных органов РЗ разного типа и, в частности, их поведение в условиях электромагнитных (короткие замыкания с апериодическими составляющими в токе и т.д.) и электромеханических переходных процессов (качания, асинхронный ход и др.). Следует отметить, что учёт динамических свойств измерительных органов РЗ необходим для оценки работоспособности быстродействующих защит в условиях нестационарных и высокодинамичных переходных процессов [10].

Рис. 2 – Алгоритм проверки тока срабатывания ЦИО приращений подачей синусоидального сигнала

Для ЦИО приращения 1-го порядка, выполняющих функцию пускового органа блокировки при качаниях и ВЧ-защит, в статье [1] предлагалось выполнять тестирование, изменяя мгновенную величину тока проверки по линейному закону изменения синусоидального сигнала (рис. 3):

где ΔI/Δt – действующее значение скорости изменения тока, А/с; ω – угловая частота переменного тока, с^-1; t – текущее значение времени, с.

Рис. 3 – Алгоритм проверки ЦИО приращения по скорости изменения тока ΔI/Δt

Реакция ЦИО приращения 1-го порядка на тестовый процесс по выражению (3) позволяет экспериментально определить параметр срабатывания ЦИО по скорости изменения тока в размерности А/с и экспериментально установить время ΔT, за которое выделяется приращение (10, 20 мс и т.д.).

Соответственно, для ЦИО 2-го и 3-го порядка требуется выполнять аналогичные испытания. Однако, для проверки ЦИО приращения высших порядков, указанный алгоритм (3) равномерного (линейного) изменения синусоидального тока не подходит, т.к. требуется генерация сигналов, изменяющихся по соответствующей порядку ЦИО степени нелинейного изменения синусоидального сигнала тока.

Для тестирования ЦИО 2-го порядка, изменение мгновенных значений тока требуется выполнять в виде квадратичной функции, с изменяемым в ходе проверки параметром ускорения изменения тока Δ²I/Δt², измеряемым в А/с² по формуле:

Процесс изменения тока по алгоритму (4) приведён на рис. 4.

Рис. 4 – Алгоритм проверки ЦИО приращения по ускорению изменения тока Δ²I/Δt²

Для проверки ЦИО приращения 3-го порядка, процесс изменения мгновенного значения тока представляется в виде кубической функции с параметром рывка (скорости изменения ускорения) изменения тока Δ³I/Δt³, измеряемым в А/с³:

Процесс изменения тока по алгоритму (5) приведён на рис. 5.

Рис. 5 – Алгоритм проверки ЦИО приращения по рывку изменения тока Δ³I/Δt³

Общая формула моделирования тестовых сигналов линейного и нелинейного изменения синусоидального тока в каналах испытательного комплекса, для проверки ЦИО приращения m-го порядка, для вещественных значений m, имеет вид:

Для проверки ЦИО приращения высших порядков по приведённым выше соотношениям (4÷6), была выполнена доработка программного обеспечения «Генератор последовательностей» испытательных систем типа РЕТОМ-51/61/71/61850 с возможностью аналитического моделирования и физического воспроизведения сигналов тока и напряжения в аналоговом и цифровом (МЭК 61850-9-2 [11]) виде по следующему общему выражению:

где a(t) – выходной сигнал канала тока или напряжения, А или В;
А_i – действующее значение i-й составляющей выходного сигнала, А или В ;
Δ^mA_i/Δt^m – изменение, в m-й степени, действующего значения i-го сигнала, А/с^m или В/с^m;
f_i – частота i-го сигнала, Гц;
Δf_i/Δt – изменение частоты i-го сигнала, Гц/с;
φ_i – начальный фазовый угол i-го сигнала, °;
k_i – декремент затухания;
s – количество последовательностей, суммирующихся для формирования выходного сигнала.

Примеры испытаний ЦИО приращения вектора тока в устройствах РЗ

В качестве программно-технического испытательного комплекса для исследования ЦИО реагирующих на приращения векторных величин тока используется прибор типа РЕТОМ-61 и режим «Гармоники» программного модуля «Генератор последовательностей».

Пример №1. Рассмотрим проверку ЦИО приращения 1-го порядка, на примере чувствительного пускового органа (ПО) блокировки при качаниях (БК), реагирующего на приращение вектора тока прямой последовательности за время ΔT равное 20 мс, в устройстве РЗ типа ШЭ2607 086 [6]. Алгоритм функционирования данного ЦИО соответствует выражению (2).

Параметр срабатывания ПО БК ΔI_С.З. устанавливается равным 1 А (вторичная величина). Расчётное значение скорости изменения тока срабатывания при этом составит:

Результат проверки тока срабатывания при стандартном методе подачи синусоидального сигнала трёхфазного тока прямой последовательности скачком, составил 1,1 А (при допустимой погрешности не более ±10%). Результат экспериментальной проверки ПО БК для параметра скорости изменения тока срабатывания ΔI/Δt_СР составил 55 А/с, что соответствует времени выделения приращения:

Результат скорости измерения тока срабатывания ΔI/Δt_СР и времени выделения приращения ΔT_СР показывает, что есть соответствие техническим данным по времени выделения приращения ΔT, равному 20 мс. Подробно проверки ЦИО данного типа рассмотрены в [1, 3].

Пример №2. Рассмотрим проверку ЦИО приращения 3-го порядка, на примере чувствительного ПО БК в устройстве РЗ типа ТОР 300 [7]. Алгоритм работы данного ЦИО соответствует выражению [7]:

Время ΔT выделения тройного приращения данного ЦИО, в соответствии с выражением (7), составляет 10 мс. Параметр срабатывания ПО БК Δ³I_С.З. устанавливается равным 1 А (вторичная величина). Расчётная величина рывка для ЦИО, с учётом масштабирующего коэффициента передачи измерительного органа, равного «2» (7), составляет:

Результат измерения тока срабатывания Δ³I_СР стандартным методом подачи скачком синусоидального сигнала тока прямой последовательности равен 0,99 А (при допустимой погрешности не более ±10%). Результат эксперимента по измерению величины рывка (тройного приращения) тока срабатывания, на основе тестового сигнала по формуле (5), равен 490000 А/с³. Полученная величина рывка изменения тока срабатывания имеет погрешность 2% относительно расчётной. Время ΔT_СР выделения приращения ЦИО составляет 10 мс:

Результаты испытаний (во вторичных величинах) устройств РЗ с ЦИО приращения 1-го и 3-го порядков для некоторых значений параметров срабатывания приведены в таблицах 1÷2.

Таблица 1 – Результаты проверки ЦИО приращения 1-го порядка в РЗ типа ШЭ2607 086

Таблица 2 – Результаты проверки ЦИО приращения 3-го порядка в РЗ типа ТОР 300

Следует отметить, что проверки ПО БК типа [6, 7] на основе ЦИО 1-го и 3-го порядков, в соответствующих режимах изменения синусоидального тока, для каналов обратной последовательности и для грубых ПО БК, реагирующих на приращения тока прямой и обратной последовательности, имеют аналогичные результаты по скорости, рывку изменения тока и времени выделения приращения.

Особенности проведения испытаний РЗ с ЦИО приращения 2-го и 3-го порядка в нелинейных режимах в эксплуатации

Диапазон настройки параметров срабатывания для ЦИО приращения вектора тока, в общем случае, достаточно широкий – например, от 0,04 до 5 крат номинальных токов устройства РЗ. Для проверки параметра ускорения и рывка изменения тока, для ЦИО приращения 2-го и 3-го порядка соответственно, от испытательной системы может потребоваться возможность выдачи относительно высоких значений трёхфазного тока. Например, для ЦИО БК 3-го порядка с током срабатывания равным 5 А (вторичная величина) и временем выделения приращения 10 мс, потребуется величина рывка изменения тока в 5000000 А/с³, что требует выдачи действующего значения вторичного тока до 833,33 кА при создании итерации испытаний длительностью 1 с.

Поэтому, для некоторого диапазона параметров срабатывания, может потребоваться сокращение времени процесса испытаний до минимального времени – приблизительно до 0,06 с, что ограничит верхний предел значений тока выдаваемых испытательным прибором. Другим способом является применение приставок – промежуточных повышающих трансформаторов тока. Например, прибор типа РЕТОМ-61 может выдать до 72 А действующего значения переменного тока в трёхфазном режиме и до 400 А в трёхфазном режиме с использованием трёх блоков однофазного преобразователя тока типа РЕТ-10.

Проблема ограничения в возможностях генерации тестовых воздействий в аналоговой форме, при проверке рассматриваемыми способами параметров срабатывания ЦИО приращения высших порядков, отсутствует для интеллектуальных электронных устройств РЗ с поддержкой протокола МЭК 61850-9-2 (Sampled Values). Для цифровых испытательных систем, например, типа РЕТОМ-61850, предназначенных для тестирования РЗ высокоавтоматизированных подстанций с шиной процесса МЭК 61850-9-2, возможна генерация в цифровом потоке мгновенных значений тока с величиной действующего значения до 1518500 А.

Выводы

Рассмотренные методы испытаний ЦИО приращения вектора тока высших порядков в нелинейных режимах изменения синусоидального тока позволяют получить динамические характеристики ЦИО: время выделения приращения ΔТ и параметр изменения вектора тока за время выделения приращения Δ^mI/Δt^m в соответствующей порядку ЦИО степени. Указанные параметры ЦИО могут быть использованы при выборе параметров срабатывания ПО БК и ВЧ-защит и проверке согласования ПО ВЧ-защит, полукомплекты которых используют разные параметры ΔТ и Δ^mI/Δt^m.
Стандартные способы проверки ЦИО приращения векторных величин тока при наладке и эксплуатации устройств РЗ в статическом режиме скачкообразными синусоидальными сигналами, должны дополняться динамическими испытаниями, которые позволят оценить соответствие параметров настройки ЦИО алгоритмам выделения приращений.

Литература

Шалимов, А.С. Определение предельной частоты скольжения при выборе уставки органов блокировки при качаниях, реагирующих на приращение тока и скорость изменения сопротивления / А.С.Шалимов, С.В. Щукин // Электрические станции. – 2008. – № 5. – С. 37-41.
Шалимов, А.С. Оценка частотных свойств цифрового измерительного органа, реагирующего на приращения векторных значений тока / А.С. Шалимов // Электротехника. – 2014. – № 7. – С. 61-64.
Шалимов, А.С. Критерии отстройки дистанционных защит с контролем приращения тока от качаний и асинхронных режимов электрической системы / А.С. Шалимов // Электрические станции. – 2010.– № 3. – С. 52-55.
Дони, Н.А. Новые предложения по выбору уставок блокировки дистанционной защиты при качаниях / Н.А. Дони, А.П. Малый, А.А. Шурупов // Релейщик. – 2017. – № 02(29). – С. 11-13.
Подшивалин, А.Н. Исследование токового пускового органа дистанционной защиты в переходных режимах / А.Н. Подшивалин, Г.Н. Исмуков // Международная научно-техническая конференция Релейная защита и автоматика энергосистем – 2023. Сборник докладов. – М.: АО «СО ЕЭС», 2023. – С. 227-232.
ЭКРА.656453.865 РЭ (086_400 от 07.09.2021) Руководство по эксплуатации. Шкаф основной высокочастотной защиты линии с КСЗ ШЭ2607 086. – 269 с.
АИПБ.656122.011-015.01 РЭ3 v21.1 Руководство по эксплуатации. Описание функций защит. Терминал ступенчатых защит и автоматики управления выключателем присоединений 110-220 кВ типа «ТОР 300 КСЗ 5ХХ», «ТОР 300 АУВ 5ХХ». – 127 с.
Дони, Н.А. Частотные свойства цифровых фильтров симметричных составляющих / Н.А. Дони, К.Н. Дони // Электричество. – 2003. – №5. – С. 13-18.
Шнеерсон,Э.М. Цифровая релейная защита / Э.М. Шнеерсон – М., Энергоатомиздат. – 2007. – 549 с.
Булычев, А.В. Динамические свойства устройств релейной защиты: электромеханическая элементная база / А.В. Булычев, Осипова В.С., Грибков М.А., Шалимов А.С. // Релейная защита и автоматизация. – 2022. – №1(46). – С. 6-10.
IEC 61850-9-2. Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3. Edition 2.1. / International Electrotechnical Commission. – 2020.