Способ защиты линий электропередачи и противоаварийного управления в электрических сетях с распределенной генерацией Российский патент 2024 года по МПК H02H3/06 

ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ ОТНОСИТСЯ К области электроэнергетики, а именно к устройствам релейной защиты линий электропередачи от коротких замыканий (КЗ), противоаварийной автоматики (ПА) И МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО в электроэнергетических системах (ЭЭС), электрических сетях (ЭС) с распределённой генерацией для обеспечения селективности действия релейной защиты и противоаварийного управления.

ИЗВЕСТЕН СПОСОБ релейной защиты (РЗ) линий электропередачи (ЛЭП) электрических сетей [Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В. А. Андреев. -М., 2008. - 639 с], ПРИ КОТОРОМ выявление признаков внутреннего КЗ устройством РЗ осуществляется за счёт фиксации увеличения тока, уменьшения напряжения, снижения отношения между напряжением и током в месте установки защиты с последующим селективным отключением поврежденного элемента от источников питания. Здесь селективность действия РЗ, установленной на ЛЭП, достигается за счёт выбора параметров срабатывания пусковых органов, обеспечивающих отсутствие чувствительности к КЗ на соседних участках сети или введения отличных друг от друга времен срабатывания устройств РЗ, или контроля угла между измеряемым током и напряжением, либо их сочетанием.

ОДНАКО, УКАЗАННЫМ СПОСОБОМ селективность отключения ЛЭП в замкнутых электрических сетях с распределенной генерацией при многообразии режимов и коммутационного состояния сети обеспечить, в общем случае, практически невозможно, т.к. в таких сетях невозможно однозначно определить значение и направление тока (относительно напряжения в контролируемом узле сети) по защищаемой ЛЭП в режиме КЗ из-за вариативности состава генерирующих установок объектов распределённой генерации, их загрузки в доаварийном режиме и состояния коммутационных аппаратов электрической сети. Вводимые для обеспечения селективности задержки срабатывании РЗ снижают эффективность ПА, приводя к избыточным отключениям нагрузки, делениям сети и увеличению времени восстановления электроснабжения и нормального режима ЭС. Применение на ВЛ защит с абсолютной селективностью значительно удорожает РЗ.

ТАКЖЕ ИЗВЕСТЕН СПОСОБ противоаварийного управления режимом параллельной работы синхронных генераторов с внешней электрической сетью путем их опережающего сбалансированного с собственной нагрузкой отключения от внешней сети при возникновении в ней аварийных возмущений [Патент на изобретение №2662728, РФ, МПК Н02J 3/46, опубл. 30.07.2018. Бюл. №22].

ОДНАКО, В УКАЗАННОМ СПОСОБЕ при восстановлении нормального режима во внешней сети с параметрами (напряжение, частота), отличными от близких к номинальным значениям, ранее отделившиеся синхронные генераторы со своей сбалансированной нагрузкой сохраняют островной режим работы и не участвуют в восстановлении схемы и нормального режима сети в целом, а отключенные неселективно линии не вводятся в работу.

КРОМЕ ТОГО, ИЗВЕСТЕН СПОСОБ восстановления целостности и нормального режима электрической сети с распределенной генерацией [Патент на изобретение №2784610, РФ, МПК H02J 3/08, H02H 7/22, опубл. 28.11.2022. Бюл. №34], ЯВЛЯЮЩИЙСЯ ПРОТОТИПОМ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ и ЗАКЛЮЧАЮЩИЙСЯ в осуществлении 3-х этапного восстановления целостности и нормального режима электрической сети. На первом этапе осуществляется восстановление сети вокруг отключенных источников энергии до сечений с двухсторонним питанием, на втором последовательно выполняется активная синхронизация активных частей сети в разделяющих их сечениях и на третьем – восстановление работы систем регулирования частоты и напряжения для параллельного режима.

ОДНАКО, УКАЗАННЫЙ СПОСОБ сохраняет требования к селективности РЗ ЛЭП электрической сети. Обеспечение селективности отключения линий за счет задержек по времени срабатывания, или, например, при отказе выключателя поврежденного элемента сети, либо при КЗ в зоне нечувствительности быстродействующих защит, приводит к существованию аварийного режима с длительностью, достаточной для срабатывания резервных защит генерирующих установок в электрической сети с их последующим массовым отключением, нарушением электроснабжения потребителей, увеличением длительности восстановления сети и электроснабжения потребителей.

ЗАДАЧЕЙ (ТЕХНИЧЕСКИМ РЕЗУЛЬТАТОМ) ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ упрощение РЗ линий электропередачи электрических сетей с распределенной генерацией, повышение надежности электроснабжения потребителей в ЭС, снижение времени восстановления целостности и нормального режима ЭС путем исключения необходимости селективного отключения поврежденных линий электропередачи с ее заменой на отключение группы элементов в районе сети с признаками возникновения аварийного режима в результате повреждения элемента при согласованной общим способом управления работе РЗ линий электропередачи и ПА в ЭС с распределенной генерацией.

ПОСТАВЛЕННАЯ ЗАДАЧА ДОСТИГАЕТСЯ ТЕМ, ЧТО СПОСОБ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТО выявляют аварийные признаки КЗ в электрической сети, отключают генераторы и/или групп генераторов со сбалансированной нагрузкой, линии электропередачи, трансформаторы, фидеры нагрузки, отключенные выключатели линий электропередачи с односторонним нормальным напряжением включают в своих квантах времени, на генераторах или группах генераторов, отделившихся при сбалансированном с собственной нагрузкой противоаварийном отключении от сети, производят регулирование частоты и напряжения для создания условий срабатывания на включение выключателей с двухсторонним питанием при улавливании синхронизма, отключенные выключатели с двухсторонним нормальным напряжением включают с улавливанием синхронизма, по признакам возникновения параллельной работы генераторов при включении выключателей регуляторы частоты и напряжения переводят в обычный режим регулирования при параллельной работе, ПРИ ЭТОМ после возникновения короткого замыкания сначала осуществляют отключение генераторов и/или групп генераторов со сбалансированной нагрузкой, затем селективно отключают трансформаторы, фидеры нагрузки, затем производят неселективное отключение линий электропередачи в районах с аварийными параметрами напряжения, запускают такты повторного включения выключателей линий электропередачи, выключатели линий электропередачи с односторонним нормальным напряжением повторно включают внутри квантов своего времени с контролем отсутствия короткого замыкания и, при выявлении его признаков, выключатель вновь отключают без задержки времени с блокировкой автоматического повторного включения.

НА ФИГ.1 представлен пример схемы электрической сети в нормальном (доаварийном) режиме. В этом режиме осуществляется питание потребителей и поддерживается на требуемом уровне частота и напряжение в сети.

НА ФИГ.2 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) в режиме КЗ на ЛЭП или на фидере нагрузки с отображением зоны сети с аварийными отклонениями параметров (например, по напряжению) с выделением цветом отключенного выключателя после действия автоматики опережающего сбалансированного деления (АОСД), в первую очередь реагирующей на возникшее КЗ.

НА ФИГ.3 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1), полученное в результате действия локальных устройств РЗ ЛЭП и нагрузки, почувствовавших аварийное отклонение контролируемых параметров после возникновения КЗ на фидере нагрузки.

НА ФИГ.4 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после последовательного срабатывания сетевых выключателей с нормальным напряжением с одной стороны выключателя в процессе восстановления нормального режима внутри синхронизированного такта времени в такте времени (согласно варианту распределения времени их срабатывания, представленного на Фиг.5) после отключения поврежденного фидера.

НА ФИГ.5 представлена структура варианта временного такта управления процессом восстановления электрической сети после отключения поврежденного фидера с селективным отключением поврежденного элемента с указанием кванта времени для каждого сетевого выключателя.

НА ФИГ.6 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1), полученное в результате действия локальных устройств РЗ ЛЭП, почувствовавших аварийное отклонение контролируемых параметров после возникновения КЗ на ЛЭП (Фиг.2).

НА ФИГ.7 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после последовательного срабатывания сетевых выключателей с нормальным напряжением с одной стороны выключателя в процессе восстановления нормального режима внутри синхронизированного такта времени в такте времени (согласно варианту распределения времени их срабатывания, представленного на Фиг.5) после самоустранившегося КЗ на ЛЭП.

НА ФИГ.8 представлена структура варианта временного такта управления процессом восстановления электрической сети после самоустранившегося КЗ на ЛЭП с указанием кванта времени для каждого сетевого выключателя.

НА ФИГ.9 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после последовательного срабатывания сетевых выключателей с нормальным напряжением с одной стороны выключателя внутри синхронизированного такта времени в процессе восстановления схемы сети в случае неустранившегося КЗ на ЛЭП (согласно варианту распределения времени их срабатывания, представленного на Фиг.10).

НА ФИГ.10 представлена структура варианта временного такта управления процессом восстановления схемы электрической сети с указанием кванта времени для каждого сетевого выключателя в случае неустранившегося КЗ на ЛЭП.

НА ФИГ.11 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после синхронизации (включения на параллельную работу) участка сети, отключенного ранее АОСД, в случае КЗ на фидере нагрузки (следующий этап восстановления для Фиг.4).

НА ФИГ.12 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после синхронизации (включения на параллельную работу) участка сети, отключенного ранее АОСД, в случае устранившегося КЗ на ЛЭП (следующий этап восстановления для Фиг.7).

НА ФИГ.13 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после синхронизации (включения на параллельную работу) участка сети, отключенного ранее АОСД, в случае неустранившегося КЗ (следующий этап восстановления для Фиг.9).

СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ (ФИГ.1) содержит районы электрической сети с генерацией (22,23,24), управляемые контроллерами генераторы (19,20,21) с выключателями с улавливанием синхронизма (13,15,17), отделяющими эти районы от внешней сети, выключатели фидеров нагрузки (14,16,18), сетевые выключатели с улавливателями синхронизма (1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12), линии электропередачи (25,26,27,28,29,30), связывающие через выключатели объекты электрической сети. Коммутационное состояние выключателей соответствует доаварийному режиму (все включены, выделены желтым).

НА ФИГ.2 зеленым цветом выделен выключатель (17), отключенный в результате действия АОДС, пунктирной линией (31) выделена зона сети с аварийными отклонениями параметров.

НА ФИГ.3, 6 синим цветом выделены выключатели, отключенные от устройств РЗ в зоне сети с аварийными отклонениями параметров (8,9,10,11,18).

НА ФИГ.4, 7 красным цветом выделены выключатели, включенные от устройств РЗ в соотвествующем кванте внутри такта времени (8,9,10).

НА ФИГ.5, 8 обозначены кванты внутри такта времени, в которых разрешается включение сетевых выключателей 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

НА ФИГ.9 синим цветом с перекрестным зачеркиванием выделены выключатели, автоматике которых запрещено участие в процессе включения внутри такта времени.

НА ФИГ.10 обозначены кванты внутри двух тактов времени, в которых разрешается включение сетевых выключателей 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

НА ФИГ.11, 12, 13 фиолетовым цветом выделен выключатель (17), включенный устройством синхронизации.

СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:

В исходном доаварийном режиме все выключатели схемы Фиг.1 включены. Генераторы (19,20,21) работают параллельно в общей сети. Такт времени включения 12 сетевых выключателей состоит из 12 квантов времени. В примере принято, что квант времени с учетом принимаемой задержки на включение составляет, например, 0.12 с (по 0.06 для вакуумных выключателей с учетом срабатывания пусковых органов на включение и отключение). Общая продолжительность такта времени - 0.12*18 = 1.44 с.

Время отключения сетевого выключателя линии электропередачи не более 0.12 секунд с задержкой на срабатывание 0.07 с. Время отключения сетевого выключателя линии электропередачи с ускорением – не более 0.07 с.

Время сбалансированного с собственной нагрузкой отключения от сети автоматикой АОСД генерирующих установок по признакам КЗ в электрической сети – 0.07 с. Задержка на аварийное отключение энергоблоков генерирующих установок по признакам КЗ в электрической сети (снижение напряжения прямой последовательности ниже уставки или повышение напряжения обратной последовательности выше уставки) – 0.1 с.

Время селективного отключения от сети фидера нагрузки или трансформатора – 0.09 с, при этом время срабатывания устройства защиты – 0.04 с.

При принятии приведенных условий срабатывания РЗ, ПА, и защиты энергоблока генерирующей установки учитывались следующие требования:

• Отключение генерирующих установок от сети должно производиться до отключения КЗ во избежание возникновения опасных ударных электромагнитных моментов на валу генераторов в результате выбега угла ротора за время КЗ.

• Селективное отключение фидеров нагрузки и трансформаторов при внутреннем КЗ должно производиться после опережающего отделения от сети генерирующих установок в зоне аварийных отклонений напряжения в электрической сети во избежание возникновения опасных ударных электромагнитных моментов на валу генераторов в результате выбега угла ротора за время КЗ.

• Время отключения сетевого выключателя линии электропередачи с ускорением должно быть меньше времени срабатывания неселективной защиты линий электропередачи в зоне аварийных отклонений напряжения в электрической сети при его неускоренном отключении во избежание повторных отключений неповрежденных линий электропередачи в цикле восстановления целостности сети.

При возникновении КЗ на ЛЭП (29) образуется зона сети (31) с аварийными отклонениями параметров (Фиг.2), например, происходит снижение напряжения прямой последовательности или повышение напряжения обратной последовательности до уровня, при котором невозможно существование нормального режима. Для района электрической сети с генерацией (24), находящейся в зоне (31) автоматика опережающего сбалансированного деления опережающим образом отключает этот район (24) от сети (Фиг.2) со временем 0.06 с, воздействуя на выключатель (17).

Если КЗ было на фидере нагрузки, то РЗ данного фидера и все локальные устройства РЗ, реагирующие на отклонение напряжений прямой и обратной последовательности, в зоне сети с КЗ (31) без учета селективности действуют на отключение соответствующих выключателей (Фиг.3), а именно устройства РЗ ЛЭП 28,29,30, действующие на сетевые выключатели (8,9,10,11) и устройство РЗ поврежденного фидера нагрузки, действующего на выключатель (18).

В первом такте времени после отключения выключателей от РЗ (при представленном варианте распределения по выключателям квантов времени в синхронизированном такте времени и КЗ на фидере нагрузки (Фиг.5)) последовательно включаются сетевые выключатели с односторонним напряжением (8), следом (9), затем (10). На выключателе (11) запускается автоматическое повторное включение с улавливанием синхронизма, т.к. напряжение появляется с двух сторон отключенного выключателя, с действием без учета своего разрешающего кванта в такте времени (Фиг.4).

Если КЗ было на линии электропередачи, то все локальные устройства РЗ, реагирующие на отклонение напряжений прямой и обратной последовательности, в зоне сети с КЗ (31) без учета селективности действуют на отключение соответствующих выключателей (Фиг.6), а именно устройства РЗ ЛЭП 28,29,30, действующие на сетевые выключатели (8,9,10,11).

В первом такте времени после отключения выключателей от РЗ (при представленном варианте распределения по выключателям квантов времени в синхронизированном такте времени и устранившемся КЗ на ЛЭП (Фиг.8)) последовательно включаются сетевые выключатели с односторонним напряжением (8), следом (9), затем (10). На выключателе (11) запускается автоматическое повторное включение с улавливанием синхронизма, т.к. напряжение появляется с двух сторон отключенного выключателя, с действием без учета своего разрешающего кванта в такте времени (Фиг.7).

В первом такте времени после отключения выключателей от РЗ (при предложенном варианте распределения по выключателям квантов времени в синхронизированном такте времени и неустранившемся КЗ (Фиг.9)) последовательно включаются сетевые выключатели с односторонним напряжением (8), следом (9). При включении выключателя (9) РЗ повторно реагирует на КЗ и без выдержки времени отключает выключатель (9) с запретом последующего включения внутри такта времени на 2-3 такта. Следом за выключателем (9) осуществляется включение выключателя (11).

При достижении кванта номер (10) внутри второго такта времени (Фиг.10) с момента отключения выключателей после КЗ осуществляется попытка включения выключателя (10). РЗ повторно реагирует на КЗ и без выдержки времени отключает выключатель (10) с запретом участия в процессе включения внутри такта времени на 2-3 такта.

Далее, при возникновении нормального напряжения и частоты со стороны внешней сети относительно выключателя (17) автоматика района электрической сети с генерацией (24) включает ее с синхронизацией на параллельную работу с сетью путем включения выключателя (17) (Фиг.11 – для случая КЗ на фидере нагрузки (18), Фиг.12 – для случая устранившегося КЗ на ЛЭП (29), Фиг.13 – для случая неустранившегося КЗ на ЛЭП (29)). В случае невозможности синхронизации района электрической сети с генерацией (24) по истечению заданного промежутка времени в изолированной активной части сети (24) и параллельно работающих (22,23) запускается сканирующая синхронизация и при выполнении условий синхронизации выключатель (17) включится.

При устранившемся КЗ на фидере нагрузки в результате работы предложенного способа комплексного управления и защиты объектов электрической сети селективность отключения поврежденного элемента сети и сохранение нормального режима сети (Фиг.11) обеспечены.

При устранившемся КЗ на ЛЭП в результате работы предложенного способа комплексного управления и защиты объектов электрической сети селективность отключения поврежденного элемента сети и сохранение нормального режима сети (Фиг.12) также обеспечены.

При неустранившемся КЗ на ЛЭП в результате вышеописанных действий селективность отключения поврежденного элемента сети (Фиг.13) обеспечена, поврежденная ЛЭП (29) отключена. Восстановление электроснабжения потребителей осуществлено в максимальном объеме.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в электроэнергетических системах и электрических сетях. Техническим результатом является повышение надежности электроснабжения потребителей и снижение времени восстановления нормального режима электрической сети. Такой результат обеспечивается за счет того, что в способе защиты линий электропередачи и противоаварийного управления в электрических сетях с распределенной генерацией после возникновения короткого замыкания сначала осуществляют отключение генераторов и/или групп генераторов со сбалансированной нагрузкой, затем селективно отключают трансформаторы, фидеры нагрузки, затем производят неселективное отключение линий электропередачи в районах с аварийными параметрами напряжения, запускают такты повторного включения выключателей линий электропередачи, выключатели линий электропередачи с односторонним нормальным напряжением повторно включают внутри квантов своего времени с контролем отсутствия короткого замыкания и при выявлении его признаков выключатель вновь отключают без задержки времени с блокировкой автоматического повторного включения. 13 ил.

Способ защиты линий электропередачи и противоаварийного управления в электрических сетях с распределенной генерацией, заключающийся в том, что в линиях электропередачи, трансформаторах, фидерах нагрузки выявляют аварийные признаки короткого замыкания (КЗ), производят противоаварийное отключение генераторов и/или групп генераторов со сбалансированной нагрузкой, линий электропередачи, трансформаторов и фидеров нагрузки, отключенные выключатели линий электропередачи с односторонним нормальным напряжением включают в своих квантах времени, на генераторах или группах генераторов, отделившихся при сбалансированном с собственной нагрузкой противоаварийном отключении от сети, производят регулирование частоты и напряжения для создания условий срабатывания на включение выключателей с двухсторонним питанием при улавливании синхронизма, отключенные выключатели с двухсторонним нормальным напряжением включают с улавливанием синхронизма, по признакам возникновения параллельной работы генераторов при включении выключателей регуляторы частоты и напряжения переводятся в обычный режим регулирования при параллельной работе, отличающийся тем, что после возникновения короткого замыкания сначала осуществляют отключение генераторов и/или групп генераторов со сбалансированной нагрузкой, затем селективно отключают трансформаторы, фидеры нагрузки, затем производят неселективное отключение линий электропередачи в районах с аварийными параметрами напряжения, запускают такты повторного включения выключателей линий электропередачи, выключатели линий электропередачи с односторонним нормальным напряжением повторно включают внутри квантов своего времени с контролем отсутствия короткого замыкания и, при выявлении его признаков, выключатель вновь отключают без задержки времени с блокировкой автоматического повторного включения.