ИНТЕЛЛЕКТ НА ЗАЩИТЕ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Материалы международного съезда релейщиков

Чебоксары – ведущий исследовательский и производственный центр России в сфере релейной защиты и автоматики (РЗА). Поэтому именно здесь СИГРЭ (CIGRE – Международный совет по большим электрическим системам) решил провести международную конференцию, в ходе которой обсуждались вопросы, принципиальные для развития отрасли, например, стандарт МЭК 61850 и проблемы, связанные с его внедрением.

Подготовил Валентин Сушко, к.т.н., доцент Чувашского государственного университета, г. Чебоксары

Форум был приурочен к 50-летию со дня выхода в свет монографии «Теоретические основы релейной защиты высоковольтных систем» Григория Иосифовича Атабекова (1908–1966), одного из основателей отечественной школы релейной защиты.
По итогам конференции Валентин Александрович Сушко подготовил для нашего журнала уникальный материал. Он проанализировал доклады российских участников, перевел тексты выступлений зарубежных гостей, выделил самые интересные сообщения, кратко изложил их суть и в некоторых случаях сопроводил лаконичными комментариями. Таким образом автор представил панораму идей, которые определяют современное состояние РЗА.

В середине сентября в Чебоксарах прошла Первая Международная конференция «Релейная защита и автоматика современных энергосистем», организованная при поддержке СО- ЦДУ ЕЭС, ФСК ЕЭС и Правительства Чувашии Российским национальным комитетом СИГРЭ и ВНИИР, входящим в состав АБС Холдингс. Устроители определили цели встречи: обобщение и анализ мирового опыта в разработке, создании и эксплуатации средств и систем РЗА энергосистем; представление новейших научных и инженерно-технических решений; активизация диалога исследователей, специалистов-разработчиков и пользователей; обсуждение направлений и тенденций развития современных средств автоматизации в электроэнергетике.
На конференции собрались более пятисот участников из 19 стран, в том числе представители крупных компаний и университетов: OMICRON Electronics (Австрия и США), Siemens (Германия), АВВ (Швеция и Швейцария), EMS (Сербия), Doble Engineering Company (США), Bonnevile Power Administration (США), University Manchester (Великобритания), НПП «ЭКРА», ОАО «ВНИИР», НПП «Динамика», ИЦ «Бреслер» и многих других.
С докладами выступили авторитетные специалисты-релейщики из России, Европы, США, Кореи, Китая.

Открыл форум Анатолий Дъяков, почетный президент РАО «ЕЭС России», председатель Российского национального комитета СИГРЭ, член-корреспондент РАН:

– Каждая страна решает задачи обеспечения безаварийной работы энергосистем по-своему, но лучше, когда цель достигается совместными усилиями. Энергетическая система – это фактически единая сеть со своими четкими параметрами, от которых нельзя отклоняться. Процессы в ней очень быстротечны, одновременно работают и выдают информацию десятки устройств. Человек не может справиться с таким объемом и принять правильное решение. Поэтому на помощь приходит именно релейная защита и автоматика, которая должна успеть локализовать аварию, предотвратить ее дальнейшее развитие.

– Три дня слета релейщиков в столице Чувашии – это реальная перспектива сделать шаг к освоению мирового опыта, возможность громко заявить о наличии у нас научной школы и развитой производственной базы в области РЗА для энергосистем.

– Одна из наших задач – предотвратить как крупные, так и небольшие аварии. А релейная защита – это основное технологическое средство для предупреждения аварий. По оценкам специалистов, рынок релейной защиты России сегодня составляет $ 300–500 млн в год.

На сессиях конференции было заслушано более 60 докладов по различным направлениям релейной защиты и автоматики. Было представлено также около 30 стендовых докладов.

• Новые результаты в области теории и практики релейной защиты и автоматики;
• Методы моделирования энергосистемы и их влияние на развитие РЗА;
• FACTS и их влияние на РЗА;
• Стандарт МЭК 61850 и его влияние на структуру РЗА;
• Автоматическое управление режимами энергосистемы с использованием технологии векторного измерения параметров;
• Современный взгляд на системы релейной защиты;
• Надежность систем релейной защиты;
• Защита генераторов и больших двигателей.

СЕССИЯ 1. НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

10 докладов этой группы привлекли наибольшее внимание участников конференции. 5 выступлений было сделано российскими специалистами, 3 – из Швеции, по 1 – из Китая и США.

«Основные требования к устройствам релейной защиты и управления, предназначенным к применению в современных энергосистемах России»

• определение технического уровня систем РЗА, удовлетворяющих требованиям ЕНЭС;
• разработка типовых проектов с применением МП устройств РЗА различных производителей;
• выбор параметров срабатывания и конфигурирования МП устройств.

• технического совершенства и надежности функционирования МП РЗА;
• технологического уровня, определяющего исполнение устройством встроенных в него алгоритмов защиты и автоматики;
• функциональности МП РЗА;
• возможности интеграции МП РЗА в другие системы.

Техническое совершенство

Оно, как известно, характеризуется селективностью, чувствительностью и быстродействием. Надежность функционирования РЗА определяют как способность срабатывания (при повреждениях в защищаемой зоне) и несрабатывания (при внешних повреждениях и отсутствии повреждений). Усложнение условий работы энергосистем (ЭЭС) приводит к тому, что они всё менее устойчивы в работе.
Поэтому возрастающие требования к РЗА должны обеспечить бесперебойность электроснабжения вне зависимости от используемых принципов защиты.
Отмеченные требования взаимно противоречивы и должны определяться во взаимосвязи, т.е. с учетом других требований. Необходимо стремиться к достижению времени срабатывания основных защит 20 мс, а в дальнейшем 10 мс, учитывая повышение быстродействия современных выключателей и возрастание в связи с этим влияния времени действия РЗА на общее время отключения повреждений. Надежность срабатывания и несрабатывания системы защиты и каждого IED должна рассматриваться с учетом:

• важности защищаемого объекта ЭЭС;
• влияния этого объекта на устойчивость ЭЭС;
• экономических аспектов, связанных с неправильной работой защит.

Современные IED, по данным зарубежных производителей, имеют показатели надежности срабатывания 0,94–0,98, а несрабатывания – 0,97–0,997. С учетом этих показателей установка одной системы защиты допустима на тех участках ЭЭС, где нет проблемы устойчивости и допустимо большое время отключения повреждения (защитой смежного участка по схеме дальнего резервирования).
Для защиты объектов ЭЭС, где существует проблема устойчивости и требуется быстрое отключение повреждений, рекомендуется применение двух быстродействующих защит, действующих параллельно на отключающие схемы.
Развитие IED позволяет повысить надежность путем дублирования модулей в терминалах (блоков питания, модулей АЦП и др.) и дублирования систем.

Практические требования к надежности срабатывания и несрабатывания должны устанавливаться для типичных конфигураций систем и их первичных элементов в документации, поставляемой пользователю.

Технологический уровень

В выступлении был рассмотрен ряд требований к технологическому уровню элементов аппаратного и поддерживающего его программного обеспечения, используемых в IED. В том числе указано на необходимость проверки аппаратного и программного обеспечения МП РЗА во взаимодействии с системной средой.

Функциональность

Современные IED – многофункциональные устройства и, кроме функций РЗА, выполняют функции измерения, регистрации, управления, дистанционной связи. Комбинация и взаимодействие функций должны соответствовать основным требованиям к надежности МП РЗА и не вызывать ее снижения.
Состав МП РЗА отечественных и зарубежных производителей в части функций защиты в основном совпадает. Но имеются и отличия:

• По способу предотвращения ложной работы защиты при качаниях мощности в ЭЭС. В отечественной практике с этой целью применяется принцип дополнительного пуска при КЗ и осуществляется контроль выходных цепей дистанционных органов с помощью специального измерительного органа, реагирующего на величину или приращение тока (напряжения) чаще всего обратной последовательности. В устройствах зарубежных производителей измерительный орган блокировки при качаниях реагирует на скорость прохождения годографом заданной области в плоскости сопротивления (принцип DZ / Dt).
• По компенсации влияния емкостных токов. В России такая компенсация применяется для защит ЛЭП 330 кВ и выше длиной более 300 км, т.е. направленных токовых защит обратной и нулевой последовательности, дифференциально-фазных защит и УРОВ, а в зарубежной практике – только для продольных токовых дифференциальных защит.
• По функции контроля изоляции высоковольтных вводов в защитах трансформаторов (автотрансформаторов), которая за рубежом не применяется.
• По способу контроля цепей напряжения. В отечественной практике предусматривается контроль не только цепей «звезды» ТН, но и контроль цепей на выходе разомкнутого «треугольника».
• По функции АПВ в отечественных защитах для ЛЭП 330 кВ и выше, дополненными органами контроля погасания дуги, позволяющими выполнить адаптивную паузу ОАПВ, и органами выявления успешного включения линии, исключающими включение на устойчивое КЗ.

• инструменты, обеспечивающие функциональную гибкость, должны соответствовать требованиям стандарта МЭК 61131 по конфигурации программируемых логических контроллеров (ПЛК) с целью сокращения затрат на обучение персонала;
• функциональные связи и дополнительная логика внутри IED не должны перегружать процессор и снижать технические показатели IED;
• функциональная гибкость IED необходима для удовлетворения требованиям каждого защищаемого объекта;
• количество функций защиты, управления и контроля для IED и их выбор должны определяться в соответствии с требованиями к надежности срабатывания и несрабатывания защиты в целом;
• для целей резервирования всегда требуются дополнительные аппаратные средства.

Современные средства связи внутри объекта ЭЭС, а также внедряемые протоколы связи в соответствии с МЭК 61850 позволяют обеспечить распределенную функциональность схем защиты. Таким образом, функции могут быть распределены по различным аппаратным элементам, как и в случае с электромеханическими реле, но виртуальные связи между ними будут реализованы с использованием системы «горизонтального» обмена между устройствами на уровне объекта (например, шина станции).

Возможность интеграции

Интеллектуальные МП РЗА являются функционально самостоятельными, но их возможности могут быть успешно реализованы, если они становятся неотъемлемой частью АСУ ТП с передачей данных с подстанции (ПС) с уровня шин и с непосредственным управлением с уровня контрольного центра.
При интеграции МП РЗА в системы управления и мониторинга ПС, эти устройства, как правило, используются в качестве нижнего уровня АСУ ТП ПС.
При интеграции МП РЗА в системы управления сетями, устройства либо включаются в АСУ ТП ПС, либо подключаются к системам сбора и передачи информации.
В системах управления и мониторинга различного первичного оборудования МП РЗА подключаются к контроллерам, выполняющим управление и диагностику первичного оборудования, и могут выдавать исходные данные для системы диагностики.
Применение на одном объекте МП РЗА различных производителей требует приведения их информационного обеспечения к единому виду, что осложняет проектирование, внедрение самих устройств РЗА и систем автоматизации на их базе.

КОММЕНТАРИЙ В. СУШКО:

– Серьезную озабоченность вызывает факт снижения надежности функционирования устройств РЗА после каждой смены применяемой элементной базы: микроэлектронные устройства в России менее надежны, чем электромеханические, а МП РЗА менее надежны, чем микроэлектронные, несмотря на то, что в IED встроены функции самоконтроля и самодиагностики. Этому нет какого-то простого объяснения, и ссылки на низкую квалификацию эксплуатационного персонала в России нельзя признать корректными, так как и за рубежом существуют подобные проблемы, хотя техническое обслуживание IED там ведет квалифицированный персонал фирмизготовителей этих устройств.
Без глубокого анализа причин такой ситуации и разработки в последующем стратегии повышения надежности IED массовое внедрение МП РЗА в России, тем более со сложным аппаратным и программным обеспечением в соответствии со стандартом МЭК 61850, может привести к недопустимому повышению аварийности.

«Особенности выполнения микропроцессорной ДФЗ ВЛ 110–750 КВ»

А.Н. Дони, Н.А. Дони (ООО НПП «ЭКРА»), А.И. Левиуш (филиал ОАО «НТЦ Электроэнергетики» – ВНИИЭ) рассмотрели ряд принятых в России решений в МП дифференциальной фазной защите для повышения ее надежности и технического совершенства:

• интегрирующий орган сравнения фаз токов;
• компенсация емкостных токов в двух полукомплектах ДФЗ длинных ВЛ 330–750 кВ с отключением компенсации при нарушениях цепей напряжения;
• фиксация внешнего КЗ в течение 35–40 мс для повышения надежности при реверсе мощности;
• введение пусковых органов на приращение вектора тока на ВЛ с тяговой нагрузкой и ряд других технических решений.

«Практические результаты внедрения продольной токовой дифференциальной защиты многоконцевых линий электропередачи»

Выступление З. Гаича, И. Брнчича и др. (ABB AB Substation Automation Products, Швеция) было посвящено положительным результатам опытной эксплуатации двух комплектов таких защит с пофазным сравнением токов, с торможением, дополненных дискриминатором внутренних/ внешних повреждений, основанным на сравнении фаз токов обратной последовательности по концам защищаемой линии.

«Проблемы координации требований к трансформаторам тока и реле дифференциальных защит трансформаторов и шунтирующих реакторов»

А.М. Дмитренко (ОАО «ВНИИР») и А.П. Арсентьев (ООО «АББ Автоматизация») рассмотрели вопросы совершенствования алгоритмов функционирования современных МП дифференциальных защит.
Докладчики отметили, что весьма эффективным является комплексное использование следующих информационных параметров переходных режимов:

• отношение второй гармоники к основной;
• длительность пауз в производной дифференциального тока на определенном уровне замера;
• запаздывание появления дифференциального тока по отношению к тормозному току.

Такие информационные параметры используются, например, в функции дифференциальной защиты DIFP терминала RET 521. Тормозная характеристика функции DIFP содержит горизонтальный и два наклонных участка. Горизонтальный участок продолжается до тормозного тока, равного 1,25 I_ном, где I_ном – номинальный ток защищаемого трансформатора или реактора.
Тормозной ток формируется на базе первых гармоник токов в первичных обмотках защитных ТТ. В качестве тормозного используется наибольший ток из приведенных токов всех фаз и всех сторон защищаемого оборудования. Отсутствие торможения при тормозном токе в пределах 0…1,25I_ном позволяет обеспечить повышенную чувствительность к витковым замыканиям в обмотках в нагрузочном режиме.
При небольших переходных токах возможен квазилинейный режим работы ТТ. В таком режиме информационные параметры, используемые для блокировки функции дифференциальной защиты, обычно невелики. Снижение порогов чувствительности к информационным параметрам переходных токов позволяет повысить степень отстроенности от режимов внешних КЗ или пусковых режимов. Однако при этом увеличивается вероятность замедления защиты при КЗ в защищаемой зоне. Выходом из такого положения является оптимальный выбор параметров защитных ТТ и выбор параметров срабатывания дифференциальной защиты.
В качестве обобщенного параметра ТТ удобно использовать предельную кратность по точности ТТ (К₅ или К₁₀). Наряду с предельной кратностью необходимо использовать параметры характеристики намагничивания ТТ. Поскольку для вычисления информационных параметров используются мгновенные значения (отсчеты) дифференциального тока, то целесообразно использовать зависимость B(H), где В, Н – мгновенные значения индукции и напряженности магнитного поля в магнитопроводе ТТ.
Разработана методика расчета параметров срабатывания дифференциальной защиты трансформаторов и шунтирующих реакторов. Методика апробирована в электрических сетях России напряжением 100–500 кВ (более 150 терминалов).

«Принципы проектирования высокоэффективной цифровой дифференциальной защиты шин»

В докладе З. Гаича (АВВ, Швеция) был изложен принцип построения пофазной быстродействующей дифференциально-токовой защиты шин, использующей первый закон Кирхгофа для мгновенных значений токов для определения КЗ в защищаемой зоне в течение первых 2 мс после перехода токов повреждения через нуль, когда высоковольтные ТТ еще не насыщаются.
При внешних КЗ, пока ТТ работают на линейном участке кривой намагничивания (в течение 2 мс после перехода токов через ноль) ток небаланса в дифференциальной цепи незначителен. После насыщения хотя бы одного ТТ в оставшуюся часть полупериода токов сквозного КЗ уменьшившееся сопротивление ветви намагничивания ТТ автоматически шунтирует входное сопротивление дифференциальной цепи, блокируя действие защиты в течение этой части полупериода сквозного тока КЗ. Таким образом, защита при внешних КЗ ложно не срабатывает при любых токовых погрешностях ТТ. Цифровой алгоритм защиты обеспечивает ее блокировку или изменение чувствительности при обрывах или КЗ во вторичных цепях ТТ.
Следует отметить, что, хотя это решение было запатентовано фирмой ASEA еще в 60-е годы прошлого столетия и реализовано в те годы на аналоговой технике, в настоящее время среди цифровых защит шин этот принцип позволяет получить наибольшее быстродействие. Однако он предъявляет определенные требования к ТТ в части значения сопротивления их ветви намагничивания при насыщении для надежного блокирования защиты. Эта проблема легко решается фирмой АВВ в случае применения выпускаемых ею же высоковольтных ТТ, но в большинстве случаев осложняет решение задачи при использовании на секции шин ТТ разных типов, как это часто бывает в России.

СЕССИЯ 2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАЗВИТИЕ РЗА

По этому направлению на конференции было представлено 7 докладов (по 2 – авторами из США и России, по одному – из Австрии, Германии, Италии). Их сделали специалисты практически всех ведущих мировых производителей устройств для тестирования релейной защиты: OMICRON Electronics (США, Австрия), Doble Engineering Company (США), I.S.A. S.R.L. (Италия), НПП «Динамика» (Россия). В выступлениях рассматривались различные вопросы тестирования современных МП устройств РЗА, а на выставке были представлены изготавливаемые компаниями устройства.

СЕССИЯ 3. FACTS И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РЗА

На сессии было представлено 3 доклада: 1 – из Швеции и 2 – из КНР. Выступления специалистов из Китая касались усовершенствования систем управления и защиты ЛЭП постоянного тока и обнаружения блокировки полюсов ЛЭП постоянного тока. Эта тематика пока для России не актуальна в связи с отсутствием реально действующих электропередач постоянного тока.
А сообщение шведских авторов вызвало большой интерес.

«О влиянии емкостной компенсации на защиту линии и восстанавливающееся напряжение»

В докладе Р. Грюнбаума, Г. Стромберга, К. Викстрема (АВВ Power Technologies AB, Швеция) рассмотрены важные вопросы обеспечения эффективной защиты таких ЛЭП и ограничения восстанавливающегося напряжения.
Преимущества продольной емкостной компенсации протяженных ЛЭП заключаются в повышении их устойчивости в переходных режимах и в более оптимальном распределении мощности между параллельными ЛЭП. Системная защита продольно компенсированных ЛЭП имеет два аспекта:

• защита конденсаторов от перенапряжений или бросков напряжения на ЛЭП, вызванных сверхтоками в линии;
• релейная защита для устранения повреждений на ЛЭП.

Наличие последовательно включенного конденсатора делает ЛЭП более сложной из-за резкого изменения продольного полного сопротивления в этой точке, что влечет за собой изменение тока КЗ, напряжения и кажущегося импеданса, измеряемого защитой, который может иметь как индуктивный, так и емкостной характер в зависимости от места КЗ.
Последовательные конденсаторы могут оказывать большое влияние на переходное напряжение на контактах выключателя при его отключении, которое называется переходным восстанавливающимся напряжением (ПВН) и может представлять угрозу для выключателя.

При защите продольно компенсированных ЛЭП наибольшие проблемы возникают для дистанционной защиты. Импеданс линии до места КЗ X_L делится на две части: между точкой установки реле и конденсатором и между конденсатором и местом КЗ. Если до места КЗ импеданс конденсатора X_C < X_L, напряжение в месте установки защиты опережает ток, а если X_C > X_L, напряжение отстает от тока. Это явление называется инверсией напряжения и оказывает наибольшее влияние на работу направленных реле сопротивления.
Конденсаторные батареи защищаются от перенапряжений искровыми промежутками или варисторами. В связи с этим эквивалентное сопротивление конденсаторной батареи с устройством защиты может быть чисто емкостным и равным X_C (при токе в ЛЭП ниже защитного уровня тока конденсаторов I_NC) либо активно-емкостным с реактивным сопротивлением около 0,36X_C при токах около 2I_NC. Конденсатор почти полностью зашунтирован варистором при токах около 10I_NC.
Явление инверсии напряжения может наблюдаться на удаленных концах линий, смежных с последовательно компенсированной цепью, и оказать влияние на работу их дистанционных защит, т.к. замеренный импеданс может иметь емкостной характер. Это следует учитывать при определении местоположения последовательных конденсаторов в сети.
Для обеспечения правильной работы дистанционной защиты на продольно компенсированных ЛЭП применяется двухступенчатая направленная защита с введением устойчивого напряжения «памяти» и с передачей по каналу связи разрешающего сигнала. Зона первой ступени выбирается укороченной: X_Z1 = K_S (X_L – X_C), где K_S – коэффициент надежности.
Первая ступень ни при каких обстоятельствах не должна охватывать шины противоположного конца ЛЭП, а вторая ступень (расширенная), наоборот, всегда должна их охватывать, даже при закороченных конденсаторах. Разрешающий сигнал действует на ускорение второй ступени защиты.
В некомпенсированных сетях ПВН находится в пределах (2,0…2,5) максимального напряжения сети. В компенсированных сетях ПВН может превысить указанные значения, что опасно для выключателя. В связи с этим защита должна действовать на шунтирование конденсаторов и их разряд, прежде чем будет отключен выключатель.

Подробный рассказ о других сессиях конференции «Релейная защита и автоматика современных энергосистем» будет опубликован в следующем номере журнала.