НПП "ЭКРА": Автоматика ликвидации асинхронного режима

Автоматика ликвидации асинхронного режима – одна из наиболее важных и часто используемых функций противоаварийной автоматики (ПА) энергосистем. Она предназначена для выявления асинхронного режима (АР) в пределах объекта сети (линии, блока) и выработки соответствующих управляющих воздействий с учетом знака скольжения для местной (локальной) и системной ПА.

Общие требования к алгоритму работы [1–4] и свойствам [1, 4, 5] АЛАР:

Селективность. АЛАР должна срабатывать при нахождении электрического центра качаний (ЭЦК) в пределах защищаемого объекта. Её действие должно быть отстроено от режимов нагрузки, синхронных качаний (СК), КЗ, а также от АР в других сечениях.

Чувствительность к асинхронному режиму в пределах защищаемого объекта.

Быстродействие. Время действия АЛАР (t_CP) на деление энергосистемы на несинхронно работающие части выбирается меньше времени возможного перехода двухчастотного АР в многочастотный (t_{ПЕРЕХ. В МНОГОЧАСТ. AP} ), но больше времени существования режима синхронных качаний (T_СК) или времени отключения КЗ с АПВ (T_{ОТКЛ+АПВ}):

Время t_{ПЕРЕХ. В МНОГОЧАСТ. AP} изменяется в пределах от 15 до 30 с,

большее значение – для энергосистем с преобладанием ГЭС.

Фиксация знака скольжения sign(s):

– при sign(s) > 0 АЛАР должна действовать на отключение избыточной генераторной мощности РГ;

– при sign(s) < 0 АЛАР должна действовать на отключение избыточной мощности нагрузки РН.

Требования к ступеням АЛАР:

• I ступень должна выявлять АР на первом цикле;

• II и III ступени АЛАР (резервные) должны:

– иметь счетчики циклов АР с уставкой N = 2.4;

– контролировать длительность цикла: (при превышении допустимой длительности цикла ТЦ счетчики циклов должны сбрасываться, а ступени не должны срабатывать, чтобы не препятствовать возможной ресинхронизации (восстановлению синхронного режима) энергосистемы;

– контролировать общую длительность АР: при превышении допустимой длительности ТАР ступени должны срабатывать.

• III ступень должна срабатывать через время до 20 с после срабатывания II ступени.

АЛАР может действовать:

– на ресинхронизацию, без деления (отключение РН или РГ);

– на деление по сечению с ЭЦК на несинхронно работающие части;

– на деление по части сечения с ЭЦК с последующей ресинхронизацией.

РЕАЛИЗАЦИЯ АЛАР БЛОКА

В соответствии с [1] на энергоблоках во избежание выделения районов со значительным избытком генерирующей мощности рекомендуется установка АЛАР, имеющих опережающую настройку по отношению к другим устройствам, производящим деление энергосистемы.

АЛАР блока входит в состав шкафа защит и автоматики блока типа ШЭ2607 103 (рис. 1).

Структурная схема АЛАР блока (рис. 2) содержит ряд программных блоков: – блоки логики I, II и III ступени (В1, В2, В3 соответственно),

– блок разрешения и запрета избыточных и дефицитных каналов при превышении допустимого времени АР и допустимого времени цикла соответственно (В4),

– блок блокировки при КЗ и при неисправностях в цепях напряжения (В5),

– блок определения знака скольжения (В6),

– блок логики пуска и сброса счетчиков циклов АР (В7).

На блокировку АЛАР действует сигнал от защит линии, сигнал реле положения «отключено» (РПО) выключателя, сигнал блокировки при неисправностях в цепях напряжения (БНН) и сигналы, которые формируются при КЗ от следующих измерительных органов (ИО):

– РТ БКЗ – реле тока, реагирующего на скачкообразные изменения тока прямой и обратной последовательности;

– РТ I₂ – реле тока обратной последовательности;

– РН_MIN – реле минимального напряжения, состоящего из трех фазных реле напряжения, включенных на выходе по схеме «И».

Ниже алгоритм работы АЛАР блока рассматривается применительно к схеме «генератор–шины» энергосистемы (рис. 3).

Измерительными органами АЛАР являются три реле сопротивления Z₁, Z₂ и Z_С, реле направления активной мощности М и реле тока прямой последовательности РТ I1 (рис. 2).

С помощью Z_С выполняется сигнальная ступень АЛАР. С помощью Z₁, Z₂, М и М (не М) выделяются три зоны, в каждой из которых предусмотрена одна рабочая ступень действия АЛАР. По аналогии с дистанционной защитой эти зоны рассматриваются далее как рабочие ступени АЛАР.

Для отстройки от срабатывания при однофазных КЗ каждый измерительный орган сопротивления состоит из трех междуфазных реле сопротивления (АВ, ВС, СА), включенных по схеме «И». Реле М состоит из трех фазных реле активной мощности, включенных по схеме «ИЛИ». Подключение ИО АЛАР по цепям тока и напряжения показано на рис. 1.

На рис. 4 представлены характеристики ИО АЛАР в комплексной плоскости сопротивлений.

Характеристика реле Z₁ имеет форму прямоугольника, симметричного относительно оси jх, верхняя сторона которого проходит по оси R, нижняя – через точку (0, Х_1УСТ), а боковые стороны – через точки (R_1УСТ, 0) и (–R_1УСТ, 0). Угол максимальной чувствительности φ_1МЧ реле Z₁ равен 270°.

Характеристика реле Z₂ имеет форму прямоугольника, симметричного относительно оси X, верхняя сторона которого проходит через точку (0, X_2УСТ), нижняя – через точку (0, X_2СМ), а боковые стороны – через точки (R_2УСТ, 0) и (–R_2УСТ, 0). Угол максимальной чувствительности φ_2МЧ реле Z₂ равен 90°.

Характеристика реле Z_С сигнальной ступени имеет форму линзы (с вертикальной осью, направленной по оси X), которая составлена из дуг двух окружностей. Каждая дуга опирается на сумму сопротивлений X_1УСТ+X_2УСТ и соответствует углу δ_УСТ между векторами ЭДС генератора и системы.

Угол δ_{И УСТ} для избыточных ступеней регулируется в диапазоне от 90 до 180°, а угол δ_{Д УСТ} для дефицитных ступеней – от 270 до 360°. Значение угла δ_УСТ выбирается равным критическому углу δ_КР (по условиям динамической устойчивости).

Сопротивление уставки Х_1УСТ с запасом (с коэффициентом k) охватывает сопротивление генератора Х'_d и трансформатора Х_T:

Х_1УСТ = – k (Х'_d+Х_T).

Сопротивление уставки Х_2УСТ с запасом (с коэффициентом k) охватывает сопротивление системы Х_C:

Х_2УСТ = k_ХС.

Сопротивление смещения Х_2СМ характеристики реле Z₂ в нижнюю полуплоскость равно сопротивлению трансформатора:

Х_2СМ = – Х_Т.

Реле М используется для отстройки от режима нагрузки, фиксации знака скольжения, а также для счета циклов АР. Угол максимальной чувствительности реле М

равен 180° (реле срабатывает при направлении мощности от шин к трансформатору блока).

Реле РТ I₁ предназначено для блокировки АЛАР при токах нагрузочного режима < I_НОМ. При приеме сигналов от ИО цепи логики АЛАР выявляют появление АР, нахождение ЭЦК в генераторе, трансформаторе или в системе.

Сигнальная ступень срабатывает при пересечении годографом входного сопротивления Z характеристики реле Z_С, вызывает свечение светодиода «Асинхронный режим» на терминале шкафа, лампы «Срабатывание» и действует на подстанционную сигнализацию.

I ступень АЛАР срабатывает при расположении ЭЦК в генераторе, что соответствует прохождению годографа Z через область срабатывания реле Z₁ и несрабатывания реле Z₂.

II ступень АЛАР срабатывает при расположении ЭЦК в трансформаторе, что соответствует прохождению годографа Z через общую область срабатывания реле Z₁ и Z₂.

III ступень АЛАР срабатывает при расположении ЭЦК вне блока, в системе, что соответствует прохождению годографа Z через область срабатывания реле Z₂ и несрабатывания реле Z₁.

В каждой из рабочих ступеней АЛАР для отстройки от режимов нагрузки и синхронных качаний предусмотрена возможность срабатывания при превышении заданного для ступени числа циклов асинхронного хода.

Для счета числа циклов в АР используется факт пересечения годографом Z характеристики реле М, по начальному состоянию которого устанавливается и знак скольжения s.

При положении ЭЦК в зоне I или II ступеней блок генератортрансформатор – избыточная часть системы и скольжение s всегда больше нуля.

При положении ЭЦК в зоне III ступени блок генератортрансформатор вместе с прилегающей частью системы может быть как избыточной, так и дефицитной частью системы.

При этом для III ступени скольжение s может быть и больше и меньше нуля. Поэтому III ступень имеет два выхода: «III ступень АЛАР изб.» и «III ступень АЛАР деф.».

Предусмотрено срабатывание I, II и III ступеней АЛАР при превышении длительностью всего АР заданного значения ТАР независимо от числа завершенных циклов АР.

Срабатывание I, II и III ступеней АЛАР блокируется при превышении длительностью цикла АР заданного значения ТЦ для предотвращения срыва ресинхронизации при действии АЛАР. При превышении этого времени счетчики циклов АР возвращаются в исходное состояние.

Значения уставок ТЦ и ТАР задаются отдельно для избыточного (s>0) и дефицитного (s < 0) каналов действия АЛАР.

В случае если в начале АР определен знак скольжения s > 0, блокируется подсчет времени цикла и времени АР для s < 0, и наоборот.

Предусмотрена выдержка времени срабатывания III ступени АЛАР Т_III, предназначенная для согласования с действием устройства АЛАР, установленного на противоположном конце линии, отходящей от шин стороны высшего напряжения блока.

При начале счета времени срабатывания Т_III в случае s>0 блокируется счет времени Т_III для s < 0, и наоборот.

Предусмотрены:

– выходы рабочих ступеней АЛАР на отключение выключателя стороны ВН блока, а также на отдельные выходные реле для действия на другие устройства противоаварийной автоматики;

– контроль срабатывания всех ступеней АЛАР от реле РТ I₁, действующего с задержкой на возврат, превышающей максимальную длительность цикла АР (для повышения надежности несрабатывания АЛАР в нагрузочном режиме);

– блокировка действия АЛАР при срабатывании защит блока, при отключении генератора и выключателя блока (рис. 2);

– вывод АЛАР из работы оперативным переключателем.

При срабатывании любой рабочей ступени АЛАР сбрасывается счет времени цикла и времени АР и АЛАР возвращается в исходное состояние.

ПРОВЕРКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ АЛАР БЛОКА

Приемосдаточные испытания образца шкафа ШЭ2607 103 проводились с применением испытательной установки Ретом-51. Асинхронные режимы моделировались с помощью программы «RL-модель» применительно к схеме энергосистемы (рис. 3).

В качестве исходного принят максимальный нагрузочный режим энергосистемы. Моделирование АР производилось изменением частоты энергосистемы Е₁ до заданного скольжения при вариациях параметров энергосистемы и уставок АЛАР.

Начальный угол между векторами Е₁ и Е₂ принимался равным 45° для избыточного режима энергосистемы Е₁, когда ЭДС Е₁ опережает ЭДС Е₂, или 315° для дефицитного режима энергосистемы Е₁. Длительность предварительного нагрузочного режима – 5 с, асинхронного режима – 10 с.

Действия АЛАР анализировались с использованием комплекса программ WNDR для терминалов БЭ2704. При этом записывались и воспроизводились осциллограммы токов и напряжений, подаваемых от испытательной установки, а также выходные сигналы ИО и ступеней АЛАР.

При испытаниях АЛАР блока при АР и в режиме качаний варьировались: место ЭЦК, знак скольжения, число циклов срабатывания каждой ступени, выход «по Z» и «по М», времена ТЦ и ТАР. На осциллограммах фиксировались токи, напряжения, выходы ИО АЛАР, выходы ступеней, действие на отключение выключателя ВН блока. Измерялось время действия ступеней и анализировалась правильность действия АЛАР.

РЕАЛИЗАЦИЯ АЛАР ЛИНИИ

Алгоритм работы АЛАР линии также разрабатывался применительно к схеме замещения «генератор–шины» энергосистемы (рис. 5), которая состоит из предвключенной части (система 1) с ЭДС Е₁ и внутренним сопротивлением Х_С1 и системы 2 с ЭДС Е₂ и внутренним сопротивлением Х_С2, между которыми включена линия с сопротивлением Х_Л. Устройство АЛАР установлено на подстанции 1.

На рис. 5 б сопротивления Х_С1, Х_Л и Х_С2 показаны на комплексной плоскости Z. Место установки АЛАР соответствует началу координат. Точки, соответствующие начальному (нагрузочному) режиму (1 или 2) и асинхронному режиму (точки 3–6) показаны в предположении, что ЭДС Е₁ и Е₂ равны по модулю. При этом точки 1–6 лежат на горизонтальной прямой 1 (годографе Z), проходящей через середину суммарного сопротивления моделируемой энергосистемы (Х_С1+Х_Л +Х_С2).

Точка 1 (Z_НАЧ1) соответствует режиму, при котором ток протекает от шин подстанции 1 в линию и ЭДС Е₁ опережает Е₂, то есть система 1 является избыточной. Угол δ между ЭДС Е₁ и Е₂ равен углу между прямыми, проведенными из точки годографа Z к концам суммарного сопротивления системы. При условии, что угол . отсчитывается от Е₂, начальный угол δ_НАЧ1 в режиме 1 меньше 90° (по условиям устойчивости нагрузочного режима). В точке 2, напротив, ток протекает от линии к шинам, Е₂ опережает Е₁, угол δ_НАЧ2 больше 270°. Переход угла δ через 180° при АР эквивалентен изменению направления активной мощности. АЛАР линии (структурная схема приведена на рис. 6) имеет одну зону работы, охватывающую линию, и реагирует на прохождение ЭЦК через сопротивление линии Х_Л (точка 5 на рис. 5б). АЛАР линии содержит три ступени.

ИО АЛАР линии являются реле Z₁ и Z_С, реле М и реле РТ I₁ (рис. 6).

Реле Z₁ и Z_С состоят из трех междуфазных реле (АВ, ВС и СА), включенных по логической схеме «И» для отстройки от несимметричных КЗ на землю. Реле Z₁ имеет характеристику в форме прямоугольника, которая с заданным запасом охватывает реактивное сопротивление линии. Реле Z₁ используется во II и III ступенях АЛАР для ограничения зоны срабатывания АЛАР защищаемой линии и для определения момента действия ступени при выходе годографа входного сопротивления Z из области срабатывания реле Z₁.

Характеристика реле Z_С состоит из двух дуг. Каждая дуга является геометрическим местом точек, в которых угол δ одинаков (вписанный угол δ опирается на дугу окружности 2δ) и равен критическому углу КР , при котором в данном нагрузочном режиме может наступить потеря устойчивости передачи мощности по линии. Реле М и РТ I1 имеют то же назначение, что и в АЛАР блока.

I ступень АЛАР может использоваться как сигнальная или как быстродействующая (на первом цикле) рабочая ступень и не имеет счетчика циклов.

Все ступени АЛАР линии имеют по два выхода – «избыточный» и «дефицитный»,– действующие на выходные реле. Избыточный выход соответствует положительному скольжению, когда система 1 ускоряется по отношению к системе 2, а дефицитный выход соответствует отрицательному скольжению. Структурная схема АЛАР линии содержит программные блоки ступеней В1–В3 и вспомогательные программные блоки В4–В7, подобные тем, что используются в АЛАР блока.

ПРОВЕРКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ АЛАР ЛИНИИ

Для проверки алгоритма работы АЛАР линии при приемосдаточных испытаниях образца шкафа ШЭ2607 104 использовалась испытательная установка Ретом-51.

Данные о токах и напряжениях при асинхронном режиме были получены в виде COMTRADE-файла на программной модели энергосистемы с учетом реальных параметров генератора, трансформатора, линии и энергосистемы на противоположном конце линии.

Моделировалась энергосистема, примыкающая к линии Киндери–Букаш энергосистемы Татарстана (рис. 7). В качестве исходного принят максимальный нагрузочный режим энергосистемы. Моделирование АР производилось плавным, с постоянной скоростью, изменением частоты энергосистемы 1 до заданного скольжения. В результате время цикла в начале процесса больше заданного, и в некоторых случаях действие АЛАР могло вначале блокироваться.

Начальный угол между векторами Е₁ и Е₂ принимался равным 45° для избыточного режима энергосистемы 1, когда Е₁ опережает Е₂, или 315° – для дефицитного режима энергосистемы 1. Длительность предварительного нагрузочного режима – 10 с, асинхронного режима – 5 с.

При испытаниях АЛАР линии при АР и в режиме качаний варьировались: место ЭЦК, знак скольжения, число циклов срабатывания каждой ступени, выход «по Z» и «по М», времена ТЦ, ТАР и время задержки III ступени после срабатывания II ступени. На осциллограммах фиксировались токи, напряжения, выходы ИО АЛАР, выходы ступеней, действие на отключение выключателя ВН блока. Измерялось время действия ступеней и анализировалась правильность действия АЛАР.

Лабораторные испытания показали правильное функционирование алгоритмов АЛАР блока и линии в части:

– определения знака скольжения в начале АР;

– блокировки каналов с противоположным знаком скольжения;

– срабатывания I, II и III ступеней при АР в избыточном и дефицитном режимах;

– блокировки АЛАР при увеличении времени цикла АР;

– несрабатывания в режимах нагрузки, при КЗ и качаниях;

– срабатывания АЛАР при длительном АР.

ЛИТЕРАТУРА

1. РД 34.35.113 Руководящие указания по противоаварийной автоматике (основные положения). М.: Союзтехэнерго, 1987.

2. Методические указания по устойчивости энергосистем: Утв. Приказом Минюста России от 30.06.2003 № 277.

3. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ. 2003.

4. Технические требования к системам противоаварийной и режимной автоматики, релейной защиты и авто матики, телеметрической информации, технологической связи в ЕЭС России. Приложение № 1 к приказу РАО «ЕЭС России» от 11.02.2008 № 57. М., 2008.

5. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М: Энергоатомиздат, 1990. 390 с.

Валентин Лопухов, начальник СРЗА РДУ Татарской энергосистемы

Сергей Иванов, инженер-программист 1 категории

Альберт Малый, к.т.н., ведущий инженер

Алексей Шурупов, к.т.н., заведующий отделом

НПП «ЭКРА»

Источник: Журнал "Новости Электротехники" № 6 (60) 2009 г.