КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-00084

НазваниеРазработка и исследование технологий для цифрового района электрических сетей (цифрового РЭС) на основе цифровых измерительных трансформаторов тока и напряжения

РуководительФилатова Галина Андреевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина", Ивановская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-406 - Энергосбережение при передаче и потреблении энергии

Ключевые словаЦифровые измерительные трансформаторы, цифровой РЭС, распределительные сети, автоматизация, повышение надежности, автоматизация

Код ГРНТИ44.29.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Распределительные электрические сети 6-10 кВ в России являются наиболее протяженными и наиболее повреждаемыми частями электроэнергетической системы (ЭЭС). Линии электропередачи (ЛЭП) 6-10 кВ имеют протяженность более 1 млн. км. Повреждения в элементах распределительных сетей являются наиболее частой причиной нарушения электроснабжения потребителей. Показатели надежности и экономичности в данной классе сетей в разы ниже, чем в промышленно развитых странах. Например, длительность отключения подачи электроэнергии составляет от 70 до 100 часов в год, что превышает аналогичный показатель в западных странах практически в 2 раза, а количество повреждений на 100 км воздушных линий электропередач составляет 26 в год [1]. Большая часть случаев электротравматизма и гибели людей происходит при напряжении 6-10 кВ [2]. Основными причинами высокой аварийности в распределительных сетях являются: – износ первичного оборудования, включая ЛЭП, силовые трансформаторы и коммутационное оборудование; – низкая степень автоматизации, большое время ликвидации аварий и их последствий; – низкая наблюдаемость сети и отсутствие достоверной информации о режиме работы и состоянии оборудования; – низкая квалификация обслуживающего персонала; – сложные погодные условия. Район электрических сетей (РЭС) выполняет функции по эксплуатации, капитальному и текущему ремонту распределительных электрических сетей 6-10 кВ. Текущее состояние распределительных сетей не позволяет перейти к активно-адаптивной сети (Smart Grid) и цифровизации РЭС. Повышение надежности распределительных сетей 6(10) кВ и создание технологий для реализации активно-адаптивной сети в данном классе напряжений является одной из ключевых задач в электроэнергетике. Решение указанных проблем возможно за счет широкого внедрения цифровых измерительных трансформаторов тока и напряжения (ЦТТН) 6(10) кВ. Благодаря малым габаритам, установка ЦТТН возможна не только на понизительных подстанциях (ПС) и распределительных пунктах (РП), но и непосредственно на опорах ЛЭП. Применение ЦТТН на объектах РЭС позволяет: – увеличить наблюдаемость сети; – применить цифровые автоматические системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ); – применить цифровые устройства релейной защиты и автоматики (РЗА); – уменьшить потери электроэнергии и повысить энергоэффективность передачи электроэнергии за счет снижения коммерческих потерь в сети. ЦТТН является уникальной инновационной разработкой Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ) и ООО НПО «Цифровые измерительные трансформаторы». Опытная эксплуатация ЦТТН показала их высокую надежность и соответствие заявленному классу точности 0,1s. Однако некоторые области применения ЦТТН и отработка технологий автоматизации на их основе требует дополнительных исследований, а именно: 1. Исследование работы ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю (ОЗЗ). 2. Исследование работы ЦТТН совместно с цифровыми устройствами РЗА. 3. Реализация функций РЗА непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. 4. Оценка экономического эффекта от внедрения технологий на основе ЦТТН 6(10) кВ. В данной работе предлагается разработка и исследование технологий для цифрового РЭС на основе ЦТТН. Научную новизну составляют: 1. Методика и результаты исследование работы ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ. 2. Методика и результаты исследования работы ЦТТН совместно с цифровыми устройствами РЗА. 3. Принцип построения РЗА на основе ЦТТН 6(10) кВ. 4. Методика и результаты исследования работы функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. [1] Астахов С.М., Беликов Р.П. Состояние и пути повышения эффективности функционирования распределительных сетей в агропромышленном комплексе // Теоретический и научно-практический журнал «Вестник ОрелГАУ». 2011. Т. 29, № 2. С. 106-108 [2] http://electricalschool.info/main/electrobezopasnost/2424-proizvodstvennyy-elektrotravmatizm-statistika.html

Ожидаемые результаты
В целом, значимость результатов работы обусловлена широкой областью применения (распределительных сети 6(10) кВ любого назначения), актуальностью внедрения цифровых технологий в РЭС, комплексностью решаемой проблемы (исследуются процессы в первичной электроэнергетической сети; исследуются процессы по вторичных цепях, в том числе РЗА; оценивается экономический эффект от применения технологий) и комплексностью применяемых методов исследования (физико-математическое моделирование, натурный эксперимент, применение теории планирования эксперимента, базовых законов теоретических основ электротехники и др.). Проект направлен на повышение надежности и энергоэффективности распределительных электрических сетей. Полученные методики исследования позволят проводить типовые автоматизированные испытания ЦТТН в условиях, максимально приближенным к условиям эксплуатации реальных электроустановок. Полученные результаты исследования позволят оценить область применения и экономический эффект от внедрения ЦТТН 6(10) кВ и сопутствующих технологий (например, встроенных функций РЗА). Полученные результаты исследования позволят оценить уменьшение времени ликвидации аварии на объектах РЭС при внедрении технологий на базе ЦТТН 6(10) кВ. Ожидаемые результаты работы: 1. Методика исследования работы ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю (ОЗЗ). Методика позволит проводить типовые испытания ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ [1]. Режим дугового перемежающегося ОЗЗ характеризуется повышением напряжения на неповрежденных фазах (до 3,5 – 4 раз [2]), наличием высших гармонических составляющих в токе ОЗЗ. Указанные особенности требуют дополнительного исследования работы ЦТТН 6(10) кВ. 2. Компьютерные имитационные модели сети 6(10) кВ. Модели позволят воспроизводить электромагнитные переходные процессы в сетях 6(10) кВ с использованием современных средств моделирования (например, программно-аппаратного комплекса (ПАК) RTDS)). Модели могут применяться для исследования функционирования ЦТТН и автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и устройств РЗА в режиме реального времени. 3. Результаты исследование работы ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ. Исследования позволят сделать вывод об эффективности работы ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ и возможность их применения для релейной защиты от ОЗЗ (например, на основе замера высших гармоник). 4. Методика исследования работы ЦТТН совместно с цифровыми устройствами РЗА. Методика позволит проводить типовые автоматизированные испытания устройств РЗА совместно с ЦТТН. Исследования по методике позволят определить эффективность применения ЦТТН, а также исследовать функционирование существующих цифровых устройств РЗА в установившихся и переходных режимах. 5. Реализация функции РЗА в макетном образца цифрового блока ЦТТН 6(10) кВ. Предполагается реализация (программирование) в цифровом блоке ЦТТН алгоритмов РЗА, а именно, функции определения места повреждения (ОМП) для ЛЭП под рабочим напряжением, разработанных ранее в ИГЭУ. Указанные алгоритмы ОМП были частично реализованы в опытных образцах автоматизированной точки коммерческого учета (АТКУЭ) в части определения направления устойчивого ОЗЗ, однако не было исследовано функционирование алгоритмов в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ. Не был отработан алгоритм обработки информации от нескольких ЦТТН, содержащих данную функцию. Также не была реализована функция точного определения места короткого замыкания (КЗ) на ЛЭП 6(10) кВ. 6 Методика исследования работы функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. Методика позволит проводить типовые автоматизированные испытания функции РЗА, встроенной в цифровой блок ЦТТН 6(10) кВ. 7. Результаты исследования функции РЗА, встроенной в цифровой блок ЦТТН 6(10) кВ. На основе результатов исследования будет оценена точность алгоритмов определения места повреждения (ОМП) на воздушных ЛЭП, их устойчивость функционирования, в том числе, при дуговых перемежающихся ОЗЗ. 8. Оценка экономического эффекта от внедрения технологий на основе ЦТТН 6(10) кВ. Исследование применения ЦТТН для цифрового РЭС позволят оценить экономический эффект от внедрения ЦТТН 6(10) кВ с сопутствующими технологиями, а также оценить уменьшение времени ликвидации аварии при использовании алгоритмов РЗА на основе ЦТТН 6(10) кВ. Поставленные задачи являются комплексными, соответствуют мировому уровню исследований и всем тенденциям в развитии электроэнергетики – цифровизации, автоматизации, интеллектуализации электрических сетей и электросетевого оборудования. Предложенные технологии предназначены для самого большого и самого проблемного и низко автоматизированного сектора электроэнергетики. Разработка предназначена для эксплуатирующих организаций электросетевого комплекса, в частости, РЭС; проектных организаций; научно-исследовательских институтов. Проект позволит повысить надежность электроснабжения потребителя, снизить эксплуатационные затраты (включая затраты на поиск места повреждения) и повысить экономические показатели передачи и распределения электроэнергии. [1]. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. [2] Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Ф.Х. Халилов, Г.А. Евдокунин., В.С. Поляков и др.; Под. ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. – СПб.: Энергоатомиздат, 2002.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчетный период выполнены следующие работы: 1. Разработка методики исследования работы цифровых измерительных трансформаторов тока и напряжения (ЦТТН) в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю (ОЗЗ). Разработана методика исследования работы ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ (ДПОЗЗ) с применением методов физико-математического моделирования. Основные задачи при воссоздании ДПОЗЗ в лабораторных условиях это: – Создание токов и напряжений частоты, выше промышленной (порядка нескольких кГц). – Создание прерывистого сигнала тока, соответствующего моментам горения и погасания дуги. – Создание напряжений, кратно превышающих номинальные. Приведены критерии оценки состояния ЦТТН после проведения исследований. В ходе разработки экспериментальной установки были проработаны несколько вариантов ее выполнения. В качестве оптимальной была принята схема установки № 2 с трехфазными повышающими трансформаторами ТЛС 0,1/10 кВ, традиционными усилителями тока и напряжения PONOVO и ЦТТН 6-10 кВ с гальванически развязными каналами тока и напряжения. Исследование проводится следующим образом: а. Снимаются характеристики испытуемого ЦТТН до проведения исследований. б. В среде RSCAD RTDS в режиме реального времени моделируются ДПОЗЗ по различным известным теориям (В. Петерсена, Дж. Петерса и Х. Слепяна, Н.Н. Белякова). в. Сигналы с модели сети подаются на усилители тока и напряжения PONOVO. Уровень сигналов при этом составляет: по фазному току до 40 А, по фазному напряжению до 50 В. г. Напряжение с усилителя PONOVO подается на повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации Кт=10 000/100. д. Токи с усилителя и напряжения с повышающего трансформатора подаются на ЦТТН. е. Цифровой сигнал с ЦТТН по МЭК 61850 принимается RSCAD RTDS. ж. При необходимости также измеряются напряжения с усилителей напряжения (например, цифровым осциллографом) и токи с измерительных шунтов. з. Снимаются характеристики испытуемого ЦТТН после проведения исследований. и. Данные анализируются. 2. Разработка компьютерных имитационных моделей сети 6(10) кВ. Разработаны упрощенные и комплексные модели сетей 6 и 10 кВ. Для построения моделей сети используются статистические данные о районе электрических сетей (РЭС) европейской части России. Разработаны модели однократных ОЗЗ и ДПОЗЗ по различным известным теориям (В. Петерсена, Дж. Петерса и Х. Слепяна, Н.Н. Белякова). Расчеты показали следующие частотные диапазоны разрядных и зарядных составляющих при ОЗЗ в воздушной сети РЭС: – для разрядной составляющей 1300–16000 Гц, при изменении удаленности ОЗЗ от 0,1 до 10 км от шин ЦП; – для зарядной составляющей 300–320 Гц, при изменении удаленности ОЗЗ от 0,1 до 10 км от шин ЦП. 3. Исследование ЦТТН в условиях дуговых перемежающихся ОЗЗ. Проведены экспериментальные исследования ЦТТН по описанной выше методике, с применением физико-математического моделирования и комплекса RTDS. При проведении экспериментальных исследований были получены следующие численные характеристики переходных процессов при ОЗЗ: – уровни перенапряжений на неповрежденных фазах до 18 кВ (3,6Uном.ф.); – уровни высокочастотных составляющих токов до 40 А. 4. Разработка методики исследования работы ЦТТН совместно с цифровыми устройствами РЗА. На основе полученной ранее методики разработана методика исследования ЦТТН совместно с цифровыми устройствами РЗА. За основу взята схема экспериментальной установки № 2. Исследование проводится следующим образом: а. На устройство РЗА подаются сигналы и эталонного источника SV потока по МЭК61850, соответствующие ДПОЗЗ по различным известным теориям. б. В среде RSCAD RTDS в режиме реального времени моделируются ДПОЗЗ по различным известным теориям (аналогичные п.1). в. Сигналы с модели сети подаются на усилители тока и напряжения PONOVO. Напряжение с усилителя PONOVO подается на повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации Кт=10 000/100. г. Токи с усилителя и напряжения с повышающего трансформатора подаются на ЦТТН. д. Данные от ЦТТН по МЭК61850 передаются устройству РЗА. е. Цифровой сигнал с устройства РЗА принимается RSCAD RTDS. ж. Данные анализируются и сравниваются с полученными по п.1. Посредством GOOSE-сообщения или дискретного сигнала в модели регистрируется факт срабатывания защиты. Проводились исследования при различном положении (удаленности от шин) места ОЗЗ и различных величинах переходного сопротивления, для ДПОЗЗ и устойчивых ОЗЗ. 5. Исследование работы ЦТТН совместно с цифровыми устройствами РЗА (имеющимися на полигоне «Цифровая подстанция»). Исследована работа 2 устройств РЗА, содержащих функцию токовой защиты нулевой последовательности, основанной на использовании основной гармоники и на сумме высших гармоник (3, 5, 7 и 9 гармоник). В данном случае, не ставилось задачи оценить алгоритм работы защиты. В ряде случаев защита оказалась нечувствительна, но всегда работала по заданному алгоритму, и верно измеряла гармоники тока нулевой последовательности. ЦТТН не вносил искажений в работу защиты в заданном диапазоне измеряемых частот. 6. Промежуточные выводы по работе. Общая оценка работы ЦТТН в условиях дуговых ОЗЗ и совместно с цифровыми устройствами РЗА. В ходе выполнения экспериментальных исследований проведена оценка работы ЦТТН 6(10) кВ в условиях ДПОЗЗ. Разработаны модели элементов сети и самого ЦТТН. В целом, были воссозданы электромагнитные переходные процессы, характерные для реальных ДПОЗЗ, однако лабораторные условия наложили значительные ограничения на длительность проведения экспериментов. Предложенная схема экспериментальной установки и результаты исследований могут применяться разработчиками измерительных трансформаторов тока и напряжения (в том числе, цифровых). По результатам испытаний и измерений характеристик ЦТТН, выполненных на различных установках, ЦТТН выдержал воздействие электрических величин при ДПОЗЗ, не разрушаясь. Это основной показатель по воздействию повышенных напряжений при ДПОЗЗ. По такому критерию, как точность воспроизведения сигнала, наблюдалось увеличение погрешности ЦТТН при высоких частотах первичного сигнала (порядка 20 кГц). Данный показатель лучше, чем у традиционных измерителей [например, для характеристик, представленные в кандидатской диссертации Филатовой Г.А.], а с учетом того, что ЦТТН не вступает в феррорезонансные явления, которые могут возникнуть вследствие ОЗЗ, дает существенные преимущества при измерении токов и напряжений. Полученные осциллограммы и совместные испытания с устройствами релейной защиты от ОЗЗ позволяют сказать, что ЦТТН может использоваться в качестве источника сигнала для релейной защиты, основанной на измерении сигналов низкой частоты (в том числе, до 9 гармоники).

 

Публикации

1. Литвинов С.Н., Филатова Г.А., Кузьмина Н.В. Development and Testing of a Methodology for Studying Digital Instrument Transformers under Conditions of Arc Intermittent Single-Phase Ground Faults IEEE, 2023 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russian Federation, 2023, pp. 39-44, doi: 10.1109/ICIEAM57311.2023.10139055. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/ICIEAM57311.2023.10139055

2. Филатова Г.А., Добрягина О.А., Литвинов С.Н. Development of a 10 kV grid model for the research methodology of digital instrument transformers in the conditions of arc intermittent single-phase earth faults IEEE, 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation, 2023, pp. 716-720 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272700

3. Филатова Г.А., Добрягина О.А., Петров А.Е. Разработка имитационной модели сети электроснабжения для исследования работы измерительного трансформатора в переходных режимах Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии (ХХII Бенардосовские чтения). Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию теплоэнергетического факультета. Иваново, 2023. С. 388-391. (год публикации - 2023)

4. Филатова Г.А., Исаков Е.М., Пискунов Д.В. Разработка методики и имитационной модели сети 10 кВ в RSCAD для исследования цифровых измерительных трансформаторов Казанский государственный энергетический университет, ТИНЧУРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2023 "ЭНЕРГЕТИКА И ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ" Материалы Международной молодежной научной конференции. В 3-х томах. Том 1. Под общей редакцией Э.Ю. Абдуллазянова. Казань, 2023, 614-616 (год публикации - 2023)

5. Филатова Г.А., Лебедев В.Д., Кузьмина Н.В. Improvement of the primary current converter as part of devices installed on the wires of 6–10 kV overhead power lines for electricity metering and relay protection IEEE, 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2023, pp. 436-441 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/UralCon59258.2023.10291164

6. Филатова Г.А., Шуин В.А., Кузьмина Н.В. Application and Research of Digital Current and Voltage Measuring Transformers 6-10 Kv for Single-Phase Earth Fault Location IEEE, 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2023, pp. 430-435 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/UralCon59258.2023.10291059

7. - В Ивановском энергоуниверситете активно занимаются инновационными проектами. Научные поиски ведутся и на средства выигранных грантов. Ивановская газета, - (год публикации - )