Известия РАН. Энергетика, 2020, № 3, стр. 60-68

ВВЕДЕНИЕ

Микросетью в электроэнергетике принято называть электрическую сеть среднего или низкого напряжения, имеющую в своем составе источники электроэнергии распределенной генерации, и способную работать как в изолированном режиме, так и параллельно с объединенной электроэнергетической системой.

Наличие распределенной генерации и возможность динамического изменения топологии электрической сети негативным образом отражается на чувствительности релейной защиты, контролирующей ее состояние [1, 2]. Решением данной проблемы может являться применение адаптивной защиты, реализованной с использованием цифровых технологий и современных коммуникаций, основанных на применении стандарта МЭК 61850. Такая защита способна выявлять повреждения как во внешней сети, обеспечивая переход микросети на автономную работу, так и повреждения во внутренней сети, выделяя из нее наименьшую часть для устранения повреждения [3, 4].

Обычно при организации релейной защиты распределительная сеть делится на локальные зоны, охватывающие ее отдельные участки. Подключение нового источника распределенной генерации внутри сети приводит к необходимости корректировки настроек устройств защиты для обеспечения требуемого уровня селективности, быстродействия и чувствительности в режимах автономного и параллельного с внешней электрической сетью функционирования. Увеличение объемов распределенной генерации в составе микросети существенно повышает сложность параметрирования ее системы защиты, адаптация которой к существующим условиям работы может осуществляться как непрерывно, так и дискретно путем переключения заранее заданных групп уставок. В любом случае корректная работа и точная настройка защиты возможна только при условии непрерывного синхронизированного измерения различных параметров режима микросети в ее узлах с последующей обработкой полученной информации в специализированном устройстве, управляющем всей сетью и способном обрабатывать большие объемы информации. При возникновении аварийного режима в микросети такое устройство определяет тип и место повреждения, а затем отключает поврежденное оборудование.

РАЗВИТИЕ ЗАЩИТЫ МИКРОСЕТЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

Перспективная организация системы релейной защиты в микросетях с источниками распределенной генерации предполагает построение двухуровневой защиты со взаимным резервированием функций (рис. 1). На первом уровне предлагается применение быстродействующей дифференциально-логической защиты [5] c использованием протокола обмена данных МЭК 61850 для передачи информации между распределенными интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ) с учетом топологии и режимов работы электрической сети. Второй уровень предполагает использование многопараметрических защит, построенных на статистических принципах [6–9]. В случае отказа информационной сети многопараметрические защиты обеспечивают функционирование микросети аналогично традиционным защитам относительной селективности, обладая при этом, в силу своего принципа действия, большей чувствительностью к аварийным режимам.

Устройство автоматического расчета параметров срабатывания, выполненное в централизованном или децентрализованном исполнении, позволяет непрерывно настраивать и адаптировать ИЭУ под существующие режимы работы микросети за счет обмена информацией с помощью протокола МЭК 61850. Для внедрения концепции автоматического расчета уставок необходима коррекция нормативно-технической документации, поскольку действующие требования предписывают проведение проверки работоспособности устройства релейной защиты после каждого изменения настроек путем подачи тестовых сигналов от испытательного устройства, что невозможно осуществить в режиме автоматической настройки.

Предлагаемая концепция защиты микросетей позволяет:

– повысить чувствительность и быстродействие защиты микросетей с источниками распределенной генерации;

– повысить устойчивость системы релейной защиты к отказам информационной сети, измерительных преобразователей или отдельных устройств;

– исключить “человеческий фактор” при выполнении расчетов;

– обеспечить совместную работу устройств защиты, использующих различные алгоритмы и принципы действия, реализованных в ИЭУ как централизованного, так и децентрализованного исполнения.

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПРИНЦИП РАСПОЗНАВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ

В качестве теоретической базы разработки алгоритмов распознавания режимов электрической сети целесообразно применять статистические методы теории обнаружения.

ИЭУ, непрерывно анализируя параметры режима защищаемого элемента электросети, относит его текущее состояние к нормальным (гипотеза H₀) или аварийным (гипотеза H₁) режимам работы. Значения критериев, позволяющих классифицировать состояние объекта, определяются так, чтобы свести к минимуму средний риск R от работы защиты, который при двух возможных вариантах режима определяется:

где C₀₀ – потери при правильном выборе гипотезы H₀; C₀₁ – потери при неправильном выборе гипотезы H₀; C₁₀ – потери при неправильном выборе гипотезы H₁; C₁₁ – потери при правильном выборе гипотезы H₁; P₀, P₁ – априорные вероятности правильности гипотез H₀ и H₁; P_F – условная вероятность ложного отключения; P_M – условная вероятность пропуска аварийного режима.

Условная вероятность P_F является вероятностью отнесения защитой текущего состояния объекта к гипотезе H₁ при фактическом соответствии режима гипотезе H₀. Условная вероятность P_M, напротив, представляет вероятность отнесения защитой состояния объекта к гипотезе H₀ при фактическом соответствии режима гипотезе H₁:

где Φ – вектор наблюдаемых параметров режима; ${{p}_{{{{H}_{0}}}}}\left( {\Phi \left| {{{H}_{0}}} \right.} \right)$ – функция плотности распределения наблюдаемых параметров в условиях существования нормального режима H₀; ${{p}_{{{{H}_{1}}}}}\left( {\Phi \left| {{{H}_{1}}} \right.} \right)$ – функция плотности распределения наблюдаемых параметров в условиях существования аварийного режима H₁ [8]; Ψ₀ – часть пространства наблюдений, соответствующая допустимому состоянию защищаемого объекта, не требующего его отключения от электрической сети; Ψ₁ – часть пространства наблюдений, соответствующая недопустимому (аварийному) состоянию защищаемого объекта.

Получение функций плотностей распределения параметров режимов производится за счет проведения достаточно большого количества статистических экспериментов на математических моделях электрической сети. Для этого, кроме информации, необходимой для расчета традиционных релейных защит, требуются сведения о вероятностных законах распределения режимов.

Очевидно, что полное пространство наблюдений Ψ представляет собой сумму:

Для повышения чувствительности и распознающей способности релейной защиты размерность Ψ можно увеличить, причем это будет происходить эффективнее за счет параметров, наиболее сильно изменяющихся в аварийных режимах [6, 7]. Таким образом, разное сочетание наблюдаемых параметров дает различные вероятности распознавания режимов.

Особенности современных ИЭУ позволяют выполнять разносторонний анализ режимов электрической сети за счет применения универсальных многомерных измерительно-пусковых органов, использующих максимально информативные наблюдаемые параметры.

Критерий Байеса, в соответствии с которым производится выбор гипотезы (распознавание режима защищаемого объекта), выглядит следующим образом [10]:

где η – порог критерия отношения правдоподобия [11]; Λ(Φ) – отношение правдоподобия:

Отстройка защиты элемента от всех нормальных режимов, в которых она не должна срабатывать, задает значение условной вероятности P_F = 0, что позволяет устремить значение порога критерия отношения правдоподобия к бесконечности: η → ∞ [12].

Распознавание аварийных режимов защищаемого элемента электрической сети на основании байесовского метода позволит:

– снизить риск ошибочной работы РЗА при принятии решений;

– реализовать адаптивные алгоритмы РЗА, учитывающие реальную статистику нормальных и аварийных режимов защищаемого элемента сети;

– разработать множество новых видов автоматики как аварийного, так и нормального режимов.

Сравним вероятности распознавания коротких замыканий защитой питающей линии при контроле различных наборов параметров, характеризующих режимы работы элемента электрической сети на примере схемы, представленной на рис. 2. Для этого на основании результатов имитационного моделирования в различных пространствах наблюдений Ψ построим функции плотности вероятностей характерных режимов объекта: нормального; короткого замыкания на питающей линии; короткого замыкания на шинах нагрузки; короткого замыкания в нагрузке 1; короткого замыкания в нагрузке 2.

Пример функций плотностей распределения параметров различных режимов, полученных на основании математического моделирования, для пространства наблюдения Ψ, включающего только один наблюдаемый параметр (ток), представлен на рис. 3. Функции плотности вероятностей различных режимов в многомерных пространствах наблюдения строятся аналогичным образом и представляют собой совокупные зависимости от нескольких параметров.

В силу вариативности характеристик факторов, влияющих на состояние защищаемого объекта, области существования его нормальных и аварийных режимов зачастую пересекаются, что не позволяет защите однозначно оценить его состояние. Требования селективности и недопустимости срабатывания защиты в нормальном режиме позволяют выбирать ее уставки, сопоставив лишь области существования различных режимов без учета численных значений плотности условной вероятности. Пример сопоставления таких областей для двухмерного пространства (ток, напряжение) приведен на рис. 4.

Вероятности распознавания аварийных режимов определяются интегрированием функций плотностей распределения параметров аварийных режимов ${{p}_{{{{H}_{1}}}}}\left( {\Phi \left| {{{H}_{1}}} \right.} \right)$ по области пространства наблюдаемых параметров, ограниченной уставками защиты (Ψ₁). Полученные значения для защит, контролирующих различные наборы параметров, приведены в табл. 1.

АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ПРИНЦИПОВ ЗАЩИТЫ

В ходе проведения исследований было подготовлено техническое задание на разработку интеллектуального электронного устройства, вычислительной мощности которого было бы достаточно для реализации представленных задач. Образец, представленный научно-производственным предприятием “Автоматизированные локационные искатели мест повреждения”, приведен на рис. 5. Особенностью устройства является его способность выполнять свои функции без привязки к производителю вычислительной платформы, что, в зависимости от сложности проводимых математических расчетов, позволяет использовать микропроцессоры как отечественного, так и импортного производства различной производительности без существенных конструктивных доработок.

Встраивание в информационные сети и реализация концепции защиты микросетей с источниками распределенной генерации осуществляется за счет полноценного использования устройством протокола передачи данных МЭК 61850.

Настройку и адаптацию элементов системы РЗА к текущим условиям работы микросети, в том числе ее топологии, целесообразно проводить с помощью технологии автоматического расчета и согласования параметров срабатывания релейной защиты, реализованной в виде централизованного или комплекта децентрализованных устройств, получающих информацию о состоянии микросети с помощью сетевых коммуникаций стандарта МЭК 61850.

Коррекция параметров срабатывания должна производиться в пределах границ, полученных моделированием режимов сети. Отказ комплекса автоматического расчета уставок переводит защиты в режим базовых настроек, полученных с помощью традиционных методов расчета для текущей топологии электрической сети.

Компоненты макета программного комплекса, реализующего технологию автоматического расчета, приведены на рис. 6.

Применение автоматизированного расчета уставок позволит исключить неправильные действия защит, связанные с ошибками в расчетах и выставлении параметров срабатывания при выполнении настройки устройств.

ВЫВОДЫ

1. Предложена концепция построения защиты микросетей с источниками распределенной генерации, предполагающая применение двухуровневой релейной защиты, элементы которой используют протокол МЭК 61850 для обмена информацией между собой.

2. В основу метода выявления аварийных режимов защищаемого элемента заложен байесовский принцип, использующий вероятности возникновения его возможных состояний.

3. Выполнено сравнение вероятностей выявления повреждений защитами, контролирующими различные наборы параметров объекта.

4. Разработано интеллектуальное электронное устройство, реализующее концепцию защиты микросетей с динамически изменяющейся топологией и наличием генерации, а также реализуемый на ее базе программный комплекс автоматического расчета уставок токовых защит.