Моделирование управляемого шунтирующего реактора в расчетах уставок дистанционной защиты воздушных линий электропередачи

Размещено на http://www.allbest.ru

МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА В РАСЧЕТАХ УСТАВОК ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

В.С. Исаков

ФГБОУ ВО "Самарский государственный

технический университет",

Самара, Россия

E-mail: skrechm2@yandex.ru

Аннотация

Состояние вопроса: В настоящее время в электрических сетях России напряжением 110-500 кВ эксплуатируется более 100 управляемых шунтирующих реакторов и их применение продолжает расширяться. Проекты установки УШР на подстанциях, в том числе в части релейной защиты и автоматики, выполняют, как правило, региональные институты. Графическая среда Simulink является наиболее широко используемой программой для имитационного моделирования процессов на данный момент, с помощью графических блок-программ строить динамические модели, а также дискретные, нелинейные, непрерывные системы. В качестве явного преимущества Simulink отмечается отсутствие необходимости видоизменения системы дифференциальных уравнений при изменениях системы или схемы замещения магнитной системы УШР, что очень упрощает реализацию модели и снижает вероятность ошибки моделирования.

Материалы и методы: При проведении моделирования УШР основным элементом является выполнение экспериментальной части математическим моделированием. В качестве инструмента моделирования применялось программное обеспечение Simulink.

Результаты: Рассмотрен алгоритм моделирования УШР в Simulink. Предложены методы восстановления электроснабжения потребителей, а также возможность использования активно-адаптивных элементов для стабилизации послеаварийного режима.

Выводы: Представленная модель может быть использован при разработке дистанционных защит воздушных линий электропередачи.

Ключевые слова: управляемый шунтирующий реактор, моделирование, дистанционная защита, активно-адаптивная сеть.

алгоритм моделирование simulink электроснабжение

Abstract

Background: Currently, more than 100 controlled shunt reactors are operated in 110-500 kV electric grids in Russia and their application continues to expand. Projects of installation of UWB at substations, including those in the field of relay protection and automation, are carried out, as a rule, by regional institutes. Graphical environment Simulink is the most widely used program for simulating processes at the moment, using graphic block programs to build dynamic models, as well as discrete, nonlinear, continuous systems. As an obvious advantage of Simulink, there is no need to modify the system of differential equations when the system or the replacement circuit of the magnetic system of the USM changes, which greatly simplifies the implementation of the model and reduces the probability of simulation error.

Materials and Methods: When carrying out the modeling of the USM, the main element is the execution of the experimental part by mathematical modeling. Simulink software was used as the modeling tool.

Results: The algorithm of simulation of the USM in Simulink is considered. Methods for restoring power supply to consumers, as well as the possibility of using active-adaptive elements to stabilize the post-accident regime, are proposed.

Conclusions: The presented model can be used in the development of remote protection of overhead transmission lines.

Key-words: Controlled shunt reactor, simulation, remote protection, active-adaptive network.

Введение

Управляемые шунтирующие реакторы - электромагнитные реакторы, индуктивность которых может плавно регулироваться с помощью автоматической системы управления, позволяющей осуществить стабилизацию напряжения на воздушных линиях с большой зарядовой мощностью. УШР являются аналогами статических тиристорных компенсаторов (СТК), позволяя поддерживать напряжение на линиях как в режиме малых, так и больших нагрузок.

Управляемые шунтирующие реакторы обладают существенным преимуществом перед другими средствами компенсации реактивной мощности. Если сравнивать УШР с обыкновенным шунтирующим реактором, то их преимущества очевидны.

УШР особенно эффективен при установке на длинных линиях электропередачи, режимы работы которых обусловлены реверсивными перетоками активной мощности и резко переменным графиком нагрузки. Кроме того, весьма существенно, что оптимальное регулирование уровней напряжения с помощью УШР значительно снижает потери при передаче электрической энергии.

Применение на ВЛ УШР позволяет решать широкий спектр задач, но УШР приводит к существенному изменению условий функционирования комплексов РЗА. Наиболее уязвимое место -- это комплексы дистанционной ступенчатой защиты, устанавливаемые на линиях в качестве резервных защит от междуфазных КЗ.

Проблемы указанных защит, возникающие в компенсирующих линиях, относят инверсии тока и напряжения, низкочастотные колебания при КЗ и динамические изменения параметров компенсированной линии. Для более точного расчета настройки дистанционных защит была смоделирована модель УШР.

Моделирование УШР

Графическая среда Simulink является наиболее широко используемой программой для имитационного моделирования процессов на данный момент, с помощью графических блок-программ строить динамические модели, а также дискретные, нелинейные, непрерывные системы.

В качестве явного преимущества Simulink отмечается отсутствие необходимости видоизменения системы дифференциальных уравнений при изменениях системы или схемы замещения магнитной системы УШР, что очень упрощает реализацию модели и снижает вероятность ошибки моделирования [1-2].

Основная цель моделирования магнитосвязанных цепей в Simulink сводится к созданию модели электрической и магнитной цепи посредством источника потока.

На рисунке 1 Изображена схема расчета магнитной и электрической цепи посредством источника тока.

Рис. 1. Структурная схема расчета электрической и магнитной цепи посредством источника потока.

В электрической части схемы расчет процессов происходит с помощью измерительного элемента ИЭ1, тут происходит измерение напряжения на индуктивности, которое после этого интегрируется в блоке интегрирования БИ1, значение потокосцепления делится на число витков w в блоке усиления БУ1. Процесс расчета магнитной цепи сводится к анализу сигнала, сформированному на выходе БУ1 посредством управляемого источника тока. Формируется магнитный поток, протекающий в цепи R_m, вызванный протеканием потока Ф в магнитной цепи, это значение измеряется в измерительном элементе ИЭ2, интегрируется в блоке интегрирования БИ2, делящееся на число витков w, при этом происходит расчет магнитной цепи к электрической. Сигнал на выходе из БУ2 подается на управляемый источник тока, обеспечивающий протекание тока I в катушке индуктивности [5].

На рисунке 2 представлена структурная схема модели электротехнического блока связи электромагнитной цепи в среде Simulink.

Рис. 2. Структурная схема модели электротехнического блока.

В модели имеются дополнительные элементы, такие как сопротивление R1 и фильтра малой постоянной времени 10^-8. R1 необходим для создания модели с несколькими обмотками, источниками тока, которые моделируют магнитный поток. Для этого, вводя в схему R1, значение которого значительно больше Rm, необходимо соединить последовательно необходимое количество источников тока.

К недостаткам модели можно отнести наличие замкнутого алгебраического контура, создающегося источником тока и блоком измерения магнитного напряжения. Расчет алгебраических контуров в среде Simulink проводятся с помощью итерационной процедуры на каждом шаге расчета, замедляя общее время расчета. Для исключения такого контура в схему введен фильтр с малой постоянной времени. Чтобы не изменять динамические свойства модели необходимо подобрать значение постоянной времени.

Сопротивление R_m может представлять собой эквивалентное сопротивление участка магнитной цепи, либо воздушного зазора, в зависимости от поставленной задачи.

Отмечается, что для определения эквивалентных сопротивлений R_m магнитного и немагнитного участка разнится. Это обуславливается характеристикой ферромагнитного материала, носящего нелинейный характер, зависящий от кривой намагничивания стали, а сопротивление воздушного участка линейно.

Для расчета магнитного сопротивления можно использовать выражение:

,

где ₀-магнитная проницаемость воздуха

Для схемы замещения магнитной цепи будет действительно выражение, в соответствии с которым можно найти падение напряжения на магнитном сопротивлении:

Структурная схема участка для магнитной цепи приведена на рисунке 3:

Рис. 3. Структурная схема участка магнитной цепи.

На схеме представлен механизм определения падения магнитного напряжения на эквивалентном линейном магнитном сопротивлении, характеризующем магнитный зазор, для этого с помощью измерительного элемента ИЭ происходит измерение значения магнитного потока с последовательным преобразованием полученного сигнала Ф в блоках БУ1, БУ2, БУ3 в магнитное напряжение U_m по выражению:

По такому же принципу создается модель нелинейного участка магнитной цепи. С учетом отличительной особенности моделей линейного и нелинейного фактора, выражение для определения падения магнитного напряжения на нелинейном сопротивлении R_m записывается следующим образом:

Структурная схема нелинейного магнитного участка представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Структурная схема нелинейного магнитного участка.

В соответствии с вышеописанным механизмом определения магнитного напряжения на эквивалентном линейном магнитном сопротивлении, U_m на нелинейном R_m может быть найдено путем измерения значения магнитного потока в измерительном элементе ИЭ с дальнейшим преобразованием полученного сигнала Ф в индукцию В блоке усиления БУ1, после этого сигнал, характеризующий индукцию, подается на блок выбора значения БВЗ, где происходит выбор значения напряженности магнитного поля Н в соответствии с кривой Н(В). Последующие преобразование в U_m в блоке усиления БУ2, здесь значение Н умножается на длину магнитного участка L_ст. U_m, полученное на выходе БУ2 подается на управляемый источник напряжения, впоследствии формируется значение падения напряжения в магнитной цепи на нелинейном сопротивлении.

В блоке БВЗ хранится информация о кривой Н(В) в виде вектора входных значений индукции и соответствующего значения вектора индукции вектора Н.

Правила, по которым работает блок, описываются следующим образом:

1. При входном значении индукции равному одному из элементов вектора выходных значений Н, выходные значения блока будут равно соответствующему элементу вектора Н.

2. При входном значении индукции не совпадает ни с одним из элементов вектора выходных значений, то блок выполнит линейную интерполяцию между ближайшими к нему элементами.

3. При входном значении индукции выходит за границы вектора входных значений, соответственно блок выполняет линейную экстраполяцию по двум крайним элементам.

На рисунках 5, 6 приведены значения блоков линейного и нелинейного блоков магнитного сопротивления соответственно:

Рис. 5. Блок линейного магнитного сопротивления.

Рис. 6. Блок нелинейного магнитного сопротивления.

Используя эти блоки, блок расчета электрической и магнитной цепи и учитывая съемы обмоток магнитной системы, можно разработать любые модели электротехнического устройства.

Построена модель фазы УШР РОДУ-60000/500, изображено на рисунке 7:

Рис. 7. Модель фазы УШР.

На схеме показаны нелинейные магнитные сопротивления стержней и ярем (R₁-R₄) линейные сопротивления каналов рассеяния магнитного потока:

- между секциями КО и стержнем - R_s1-R_s2;

- между секциями обмоток КО И ОУ - R_s3-R_s4;

- между обмотками СО и ОУ - R_s5-R_s6.

Изображение реализованной имитационной модели УШР в среде Simulink:

Рис. 8. Имитационная модель УШР.

Испытание модели

Испытание модели производится в следующем порядке:

1. Моделируется испытательная модель энергосистемы и функциональная схема дистанционной защиты, рис. 9, 10.

Рис. 9. Исследуемая схема.

Рис. 9. Модель исследуемой схемы в среде MatLab.

2. В статическом режиме замеряется с помощью Powergui значения токов КЗ, протекающих через защиты при замыканиях в различных точках схемы, нажав на кнопку Continuous. Нажимается кнопка Steady-State Voltages and Currents для вызова подпрограммы предварительного исследования схемы.

3. Настраивается очередность короткозамыкателей для замера токов короткого замыкания. Сначала настраивается первый короткозамыкатель на трехфазное КЗ Transition status: (1 1 1), замеряются параметры КЗ и возвращаются параметры прежнего режима, далее поочередно с каждым короткозамыкателем делаются настройки и замеры. Transition status (1 0 1) - двухфазное замыкание.

4. Рассчитываются уставки дистанционной защиты задающие форму характеристики срабатывания.

5. Проверяется чувствительность защит.

6. Выставляются рассчитанные устваки в настройках блоков защит, в блоках KZ 1^st, KZ 2^nd.

7. Запускается настроечная модель электрической сети.

8. Исследуется поведения защиты в аварийных режимах.

Рис. 10. Моделирование КЗ в сети с УШР и дистанционной защитой

Вывод

Созданная модель в полной мере моделирует УШР и позволяет проводить опыты по настройке и расчету защит

Список литературы

[1] Matlab. The Language of Technical Computing [Электронный курс].

[2] Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007: Самоучитель. - Москва: ДМК Пресс, 2008. - 868 с.: ил. - ISBN-13: 978-5-94074-424-5.

[3] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - Москва: ДМК Пресс. - 288 с.: ил.

[4] Лучко А.Р., Ебадиан М. Принципы математического моделирования динамических процессов в управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторах в SimPowerSystems (Matlab)// Электричество, 2008. - N 3. - C. 70-75. - ISSN 0013-5380.

[5] Долгополов А.Г. Повышение эффективности УШР на ЛЭП 500 кВ и ПС 110 кВ электроэнергетической системы. - Москва. - 164 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru