Реализация алгоритма дифференциальной защиты трансформатора фирмы ЭКРА на языке программирования Java

Авторы: Холодов Александр Сергеевич, Зыкина Анастасия Николаевна

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 65-72

Объём: 0,31

Опубликовано в: «Наука без границ» № 6(34), июнь 2019

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Холодов А.С., Зыкина А.Н. Реализация алгоритма дифференциальной защиты трансформатора фирмы ЭКРА на языке программирования Java // Наука без границ. 2019. № 6(34). С. 65-72.

Аннотация: Для наглядного представления и анализа работы микропроцессорных терминалов релейной защиты предложено разработать алгоритм работы дифференциальной защиты трансформатора на языке программирования Java и проверить его корректность в различных режимах.

Расчет дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) 110/10 кВ мощностью 63 МВА ведется согласно Методическим указаниям по расчету уставок защит подстанционного оборудования производства ООО НПП «ЭКРА» (п.1.3[1]).

Таблица 1

Исходные данные силового трансформатора

Параметр

S, МВА

UВН/ UНН

Схема соединения

КТТ,ВН

КТТ,НН

Значение

63

110/10

Y/∆

500/5

5000/5

где: Ктт – коэффициент трансформации трансформаторов тока (ТТ). Вторичные обмотки ТТ соединены по схеме «звезда».

Для дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) рассчитываются следующие уставки на основании табл. 1:

-                   начальный дифференциальный ток срабатывания (Iд0);

-                   ток начала торможения (Iт0);

-                   ток торможения блокировки (Iт.бл);

-                   коэффициент торможения (Kт);

-                   уровень блокировки по второй гармонике (Kбл,2гар);

-                   ток срабатывания дифференциальной отсечки (Iотс).

Таблица 2

Параметры срабатывания ДЗТ

Параметр

Iд0

Iт0

Iт.бл

Kт

Kбл,2гар

Iотс

Значение, о.е.

0,27

1

2

0,5

0,2

6,5

3,163

3,464

По полученным параметрам срабатывания построена тормозная характеристика ДЗТ, где область, расположенная выше характеристики, является областью срабатывания, а ниже – областью несрабатывания ДЗТ.

Рис. 1. Тормозная характеристика ДЗТ фирмы ЭКРА

 

Описание реализации алгоритма ДЗТ

Для выбора цифрового фильтра рассмотрим наихудший случай насыщения ТТ при повреждении, то есть когда один из ТТ – идеальный, а второй имеет максимальную полную погрешность. В этом случае происходит потеря половины сигнала во вторичных токовых цепях. На выходе фильтра RMS при 50% потере сигнала сохраняется 75% действующего значения. В фильтре Фурье линейная зависимость действующего значения сигнала от уровня потерянного сигнала, то есть при 50% потере сигнала, сохраняется 50% действующего значения. Поскольку в данной статье рассматривается дифференциальная защита трансформатора, для которой необходима отстройка от тока небаланса при внешних повреждениях, выбран фильтр Фурье для обеспечения большей чувствительности ДЗТ к внутренним КЗ. Принцип работы фильтра Фурье заключается в формировании ортогональных составляющих цифрового сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в соответствии с выражениями [1]:

 

где:  – текущая выборка цифрового сигнала с выхода АЦП;

 – шаг дискретизации;

m – число выборок за период;

f0 – частота сигнала, которую выделяет фильтр;

kф– коэффициент Фурье для компенсации.

Для вычисления действующих значений был создан класс Furie.

Рис. 2. Задание переменных и массивов класса Furie

где: sin, cos – массивы, содержащие значения соответствующих тригонометрических функций для 80 выборок за период, то есть для диапазона углов от 0º до 360º с шагом 4,5º при n=2;

n – входная величина метода Furie, задающая частоту, на которую данный фильтр будет настроен.

Рис. 3. Создание метода getOrt

Метод getOrt предназначен для вычисления ортогональных составляющих мгновенных значений тока.

meanValue – текущее мгновенное значение тока;

tempValue – текущее значение ортогональной составляющей тока;

sumX, sumY – текущие значения амплитуды соответствующих ортогональных составляющих тока;

bufX, bufY – массивы, содержащие последние 80 выборок соответствующих ортогональных составляющих тока;

ortX, ortY – текущие значения соответствующих ортогональных составляющих сигнала c учетом коэффициента компенсации Фурье k;

number – текущая выборка за период.

Рис. 4. Создание метода getRms

Метод getRms предназначен для вычисления действующих значений тока.

Рис. 5. Создание метода getAngle

Метод getAngle предназначен для вычисления значений угла вектора тока.

Для отображения срабатывания ДЗТ создан класс Trip.

Рис. 6. Создание класса Trip, его переменных логического типа

Срабатывание ДЗТ реализуется путем изменения значения 3-х логических переменных в соответствии с названием (name) на новое значение (trip).

Для реализации алгоритма ДЗТ создан класс Dzt.

Рис. 7. Задание переменных класса Dzt

где: Ivn, Inn – мгновенные значения выровненных токов сторон ВН и НН трансформатора;

rmsVN, rmsNN – действующие значения выровненных токов сторон ВН и НН трансформатора;

Id – действующее значение дифференциального тока;

It – действующее значение тормозного тока;

I1 – максимальный из токов сторон трансформатора;

I2 – сумма токов сторон трансформатора за исключением I1;

argI1, argI2 – углы векторов тока I1 и I2;

arg – угол между векторами токов I1 и I2;

ust – текущее значение дифференциального тока срабатывания;

Кbl – текущее значение коэффициента блокировки ДЗТ по второй гармонике;

time – набор выдержки времени при срабатывании;

Ibvn, Ibnn – базисные токи сторон ВН и НН трансформатора;

Ido, Ito, Itbl, Кtorm, Kbl_ust, Iots – уставки из табл. 2.

Рис. 8. Создание экземпляров других классов

f1-f7 – экземпляры класса Furie;

trip – экземпляр класса Trip.

Рис. 9. Создание методов Dzt и setTrip

Метод Dzt присваивает имя экземпляру класса Dzt. Метод setTrip предназначен для обозначения того, что экземпляр trip, используемый в классе Dzt, является тем же самым, что и экземпляр trip класса Trip.

Далее рассмотрен метод calс, который реализует логику работы терминала ДЗТ фирмы ЭКРА для каждой фазы.

Рис. 10. Формирование дифференциального тока

Входными данными метода calс являются два фазных тока стороны ВН и один фазный ток стороны НН. Это связано с тем, что схемы соединения сторон трансформатора разные: на стороне ВН – Y, на стороне НН – D, а трансформаторы тока с обеих сторон силового трансформатора соединены по схеме Y, поэтому необходима компенсация фазового сдвига стороны ВН для ДЗТ, которая осуществляется следующим образом:

Для выравнивая токов в цепях циркуляции сторон ВН и НН трансформатора по амплитуде нужно привести их к базисным величинам:

Ia,вн, Ib,вн, Ic,вн соответствуют переменным meanValue, а Iвн* и Iнн*– переменным Ivn и Inn. Дифференциальный ток формируется как сумма токов сторон ВН и НН в цепях циркуляции.

Рис. 11. Формирование тормозного тока

Тормозной ток формируется следующим образом:

 при

IT = 0 при

α – угол между токами I1 и I2

Рис. 12. Формирование коэффициента блокировки

Для предотвращения ложной работы ДЗТ при бросках тока намагничивания (БНТ) в момент включения трансформатора под напряжение, а также для дополнительной отстройки защиты от тока небаланса переходного режима внешнего КЗ выполнена блокировка защиты по превышению отношения действующего значения второй гармоники к действующему значению первой гармоники дифференциального тока .

Рис. 13. Условия срабатывания ДЗТ

В соответствии с тормозной характеристикой ДЗТ, представленной на рис. 1, дифференциальный ток срабатывания зависит от величины тормозного тока, а именно если тормозной ток меньше начального значения, то дифференциальный ток срабатывания равен начальному значению, в случае нахождения значения тормозного тока в диапазоне от начального значения до значения тока блокировки дифференциальный ток срабатывания формируется согласно уравнению прямой:

Id = Id1 + kt · It

При превышении дифференциальным током уставки и несрабатывании блокировки по второй гармонике запускается выдержка времени, по истечении которой срабатывает соответствующая фаза ДЗТ в виде изменения атрибута экземпляра trip на положение true в соответствии с именем экземпляра класса Dzt, в противном случае положение атрибута остается первоначальным – false. Для исключения замедления работы ДЗТ при больших токах внутреннего повреждения, обусловленного работой органа блокировки по второй гармонике, предусмотрена дифференциальная отсечка без блокировки, которая отстроена от БНТ силового трансформатора.

Для исследования алгоритма ДЗТ в различных режимах работы были использованы данные файла формата comtrade, который представляется двумя файлами с одинаковыми именами, но разными расширениями – cfg и dat. Файл с расширением dat содержит выборки аналоговых сигналов, в данном случае фазных токов высшей и низшей сторон трансформатора. Файл с расширением cfg описывает настройки осциллографирования, а именно частоту, количество сигналов и их тип, масштабирующие коэффициенты. Загрузка данных из файла формата comtrade осуществляется в классе DataComtrade.

Рис. 14. Создание класса DataComtrade, его переменных и массивов,

экземпляров других классов

где: kia – массив масштабирующих коэффициентов из файла с расширением cfg;

a – номер элемента массива kia;

Метод setT предназначен для обозначения того, что экземпляры ta, tb, tc, используемые в классе DataComtrade, являются теми же самыми, что и экземпляры ta, tb, tc класса Dzt.

Рис. 15. Создание метода DataComtrade

Метод DataComtrade предназначен для создания экземпляров класса File, которые будут содержать данные, находящиеся по указанному пути, в соответствии с именем файла и его расширением.

Далее рассмотрен метод run, предназначенный для загрузки данных из файла формата comtrade.

Рис. 16. Считывание масштабирующих коэффициентов

Масштабирующие коэффициенты из файла с расширением сfg необходимы для нахождения корректного значения каждого фазного тока сторон ВН и НН трансформатора.

Рис. 17. Считывание мгновенных значений фазных токов

Текущие мгновенные значения фазных токов сторон ВН и НН трансформатора из файла с расширением dat записываются в соответствующие переменные meanValue, затем для каждого экземпляра класса Dzt вызывается метод calc.

Создание экземпляров классов, представленных выше, запуск методов, построение графиков для наглядного представления работы ДЗТ в различных режимах осуществляется в классе Main.

Рис. 18. Создание экземпляров классов и вызов метода run

 для экземпляра data

 

Работа алгоритма ДЗТ для фазы А в различных режимах

Рис. 19. Фаза А при внутреннем КЗ

Рис. 20. Фаза А при внешнем КЗ

Рис. 21. Фаза А при включении трансформатора

Из приведенных выше графиков видно, что при внутреннем коротком замыкании (КЗ) защита надежно срабатывает в момент времени 0,66 с и остается в сработанном состоянии до тех пор, пока повреждение не отключится. В первые 0,2 с после возникновения внешнего КЗ дифференциальный ток имеет значение больше уставки, но за счет срабатывания органа блокировки по второй гармонике обеспечивается несрабатывание ДЗТ в первый момент времени, затем уровень дифференциального тока через реле становится ниже уставки. При включении трансформатора под напряжение на протяжении всего времени существования БНТ защита заблокирована и срабатывания не происходит.

Список литературы

1. Воскобойников Ю.Е., Гочаков А.В., Колкер А.Б. Фильтрации сигналов и изображений: фурье и вейвлет алгоритмы (с примерами в Mathcad) : монография. – Новосиб. гос. архитектур.-строит. ун-т (Сибстрин). – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2010. – 188 с.

Материал поступил в редакцию 26.05.2019

© Зыкина А.Н., Холодов А.С., 2019



[1] СТО 56947007-29.120.70.99-2011 Методические указания по расчету уставок защит подстанционного оборудования производства ООО НПП «ЭКРА».