Имитационное моделирование дифференциально-фазной защиты линий в REPEAT VISION

3 часа назад Прокомментировать Просмотры: 3

Системы релейной защиты и автоматики (РЗА) служат фундаментом энергетической безопасности любой инфраструктуры. Подобные сбои энергоснабжения, аварийные короткие замыкания или неселективные срабатывания защитных комплексов способны парализовать деятельность крупных промышленных объектов и целых агломераций, как это произошло во время масштабного блэкаута в Испании в 2025 году [1]. Ввиду этого к современным средствам РЗА предъявляются жесткие требования по быстродействию, абсолютной точности и надежности функционирования.

Программные модули REPEAT VISION предоставляют инженерам возможность детально исследовать архитектурные схемы, алгоритмы защит, проводить виртуальные эксперименты, имитировать нештатные ситуации и интегрироваться с реальными терминалами. Ранее мы рассматривали особенности симуляции электроприводов в REPEAT VISION [2]. Теперь предлагаем изучить, как методы математического моделирования РЗА используются для верификации и предотвращения аварий на примере высокочастотной дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) линий электропередачи.

В общих чертах, РЗА представляет собой совокупность интеллектуальных устройств непрерывного мониторинга параметров сети. При возникновении технологического нарушения комплекс мгновенно определяет очаг повреждения и изолирует его, поддерживая стабильность работы неповрежденной части энергосистемы. Остановимся подробнее на специфике высокочастотных защит, в частности на модификации ДФЗ-201.

Описание принципа работы высокочастотной дифференциально-фазной защиты.

ВЧ-защиты занимают нишу ключевых быстродействующих средств для воздушных линий (ВЛ) протяженностью от средней до большой класса напряжения 110 кВ и выше. Необходимость их применения возникает тогда, когда для сохранения динамической устойчивости критически важно реализовать синхронное двустороннее отключение повреждения на любом участке трассы. Продольные дифференциальные аналоги (ДЗЛ) решают аналогичные задачи, однако их внедрение на протяженных магистралях экономически нецелесообразно из-за огромных затрат на прокладку волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). На этом фоне высокочастотные комплексы выгодно отличаются своей технологической простотой и экономической эффективностью [3].

Конструктивно защита образована двумя идентичными полукомплектами, установленными по концам защищаемой ВЛ. Ключевая особенность ДФЗ заключается в том, что информационный обмен между ними реализуется с помощью высокочастотных токов, передаваемых непосредственно по проводам самой ЛЭП. Данный метод нечувствителен к внешним коротким замыканиям, функционирует без искусственных выдержек времени и обладает свойством абсолютной селективности [3].

Фундамент работы ДФЗ базируется на сопоставлении фазовых углов токов промышленной частоты на противоположных концах линии посредством ВЧ-канала. Для трехфазного исполнения задействуется единственный высокочастотный канал, организованный на базе одной из фазных жил [3].

Каждый полукомплект включает релейную и высокочастотную секции, смонтированные на единой панели. Для оптимизации процессов используются специальные фильтры, преобразующие трехфазные токовые составляющие в эквивалентный однофазный сигнал. Это избавляет от необходимости сравнивать фазы всех линейных токов по отдельности, существенно упрощая общую логику. В схеме применяются пара фильтров: фильтр обратной последовательности в пусковом блоке и комбинированный фильтр прямой/обратной последовательности в узле манипуляций [3].

Релейная составляющая полукомплекта ДФЗ содержит следующие элементы:

Пусковой орган, инициирующий запуск ВЧ-приемопередатчика;
Орган манипуляции, осуществляющий непосредственное управление передающим устройством;
Отключающий орган, подготавливающий цепи воздействия на коммутационные аппараты;
Блок фазосравнения, анализирующий угол сдвига между импульсами, поступающими от собственного и удаленного полукомплектов;
Выходное реле, выдающее команду на отключение выключателя и запуск устройства резервирования при отказе выключателей (УРОВ).

Для трансляции ВЧ-сигналов выполняется специальная высокочастотная обработка выбранной фазы линии, по которой протекает ток частотой 50 Гц. Селективное разделение силовых токов и высокочастотных информационных посылок обеспечивается аппаратным комплексом ВЧ-части, в состав которого входят:

Приемопередатчик, функционирующий в диапазоне частот от 16 до 1000 кГц;
Специализированный коаксиальный кабель (РК 75) с волновым сопротивлением 75 Ом;
Фильтр присоединения, согласующий высокое сопротивление ВЛ (порядка 400 Ом для классов 110 кВ) с трактом приема (75 Ом);
Конденсатор связи, блокирующий промышленную частоту и беспрепятственно пропускающий ВЧ-сигнал;
Высокочастотный заградитель, локализующий ВЧ-энергию в пределах защищаемого участка и пропускающий токи 50 Гц.

Разработка модели на REPEAT VISION

Архитектурная модель построена на базе алгоритма Доммеля, который преобразует реактивные элементы электрической сети в эквивалентные резистивные схемы замещения, гарантируя высокую скорость вычислений.
Для индуктивного элемента:

$u_L(t) = L \frac{di_L(t)}{dt}$ $u(t) = R_L \cdot i(t) - E_L(t - \Delta t)$

где:

$R_L = \frac{2L}{\Delta t}$

Для емкостного элемента:

$i(t) = C \frac{du(t)}{dt}$ $u(t) = R_C \cdot i(t) + E_C(t - \Delta t)$

где:

$R_C = \frac{\Delta t}{2C}$

Для резистора:

$R_{res} = R$

Итоговое расчетное уравнение для нахождения мгновенных значений токов принимает вид:

$\mathbf{R} \cdot \mathbf{I}(t) = \mathbf{U}(t) + \mathbf{E}_{hist}(t - \Delta t)$

где:

R — матрица эквивалентных сопротивлений;
I(t) — искомый вектор токов;
U(t) — вектор внешних узловых напряжений;
Ehist(t — ∆t) — вектор предыстории ЭДС с предшествующего шага интегрирования.

В нашей программной среде базовый алгоритм был усовершенствован за счет внедрения неявных методов численного интегрирования, что обеспечило безупречную сходимость, высокую точность и рекордное быстродействие.

Созданная цифровая модель включает две линии 110 кВ, питаемые от двух независимых источников напряжением 110 кВ. На подстанциях «А» и «В» установлены измерительные трансформаторы тока и напряжения, необходимые для корректного функционирования защитной логики. В настройках задаются ключевые физические характеристики линий: общая протяженность и погонные параметры (активное, индуктивное и емкостное сопротивления).

Численные эксперименты и результаты моделирования

Для оценки работоспособности ДФЗ были проведены два сценария тестирования: при внешнем коротком замыкании (вне зоны действия защиты) и при внутреннем аварийном повреждении (внутри зоны).

Внешнее короткое замыкание, вне зоны защиты

Ниже представлены осциллограммы токов в условиях внешнего КЗ. Если принять направление от шин в сторону линии за положительное, мы увидим, что ток на подстанции «А» уходит в линию, тогда как на подстанции «В» течет из линии к шинам. С учетом согласованной полярности измерительных трансформаторов на концах участка, вторичные токи при внешнем повреждении имеют противоположные знаки, смещаясь друг относительно друга на 180 градусов. Соответственно, высокочастотные импульсы генерируются передатчиками только в течение положительных полупериодов и также оказываются сдвинуты на 180°. На приемном устройстве фиксируется сплошной непрерывный ВЧ-сигнал, подтверждающий, что авария носит внешний характер.

Внутреннее короткое замыкание, в зоне защиты

Анализируя графики для внутреннего повреждения, можно заметить, что токи на обеих подстанциях («А» и «В») направлены от шин в сторону линии. Благодаря полярности подключения трансформаторов, вторичные токи обретают одинаковые знаки и совпадают по фазе. Следовательно, генерируемые ВЧ-импульсы также синфазны. В этом случае на приемнике наблюдается прерывистая последовательность импульсов, что однозначно свидетельствует о внутреннем коротком замыкании.

Полученные данные полностью согласуются с теоретическими векторными диаграммами токов для высокочастотной дифференциально-фазной защиты.

Диаграмма токов высокочастотной дифференциально-фазной защиты

Заключение

Таким образом, в рамках материала мы подробно рассмотрели структуру и принцип действия ВЧ-защиты линий, а также продемонстрировали возможности имитационного моделирования ДФЗ в среде REPEAT VISION на примерах внешних и внутренних повреждений. Углубить свои знания по данной теме можно в профильной публикации на портале «Школы моделирования».

Присутствуют ли среди наших читателей эксперты в области релейной защиты? Какие программные комплексы вы используете в повседневной практике? Насколько интересной показалась вам эта тема? Будем рады обсудить это в комментариях.