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

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 проекта 23-29-00084

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

Руководитель Филатова 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

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 слова Цифровые 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

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272700

3. 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)
10.1109/UralCon59258.2023.10291164

4. 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)
10.1109/UralCon59258.2023.10291059

5. 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)

6. 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)

7. Филатова Г.А., Пискунов Д.В., Евдаков А.Е Automated Method for the Research of the Relay Protection Function Implemented in 6(10) kV Digital Instrument Transformers Using Real Oscillograms 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 362-367, doi: 10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694146. (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694146

8. Филатова Г.А., Лебедев В.Д.,Толстоухов А.А. Assessment of the Digital Measuring Transformers Application in Power Distribution Zone 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 982-986, doi: 10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694038. (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694038

9. Филатова Г.А., Пискунов Д.В., Исаков Е.М. Development of a Methodology for Studying Digital Instrument Transformers with the Digital Ground Faults Relay Protection Devices 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 1033-1038, doi: 10.1109/ICIEAM60818.2024.10553758. (год публикации - 2024)
10.1109/ICIEAM60818.2024.10553758

10. Лебедев В.Д., Филатова Г.А. , Петров А.Е. Исследование цифровых измерительных трансформаторов в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю с применением программно-аппаратного комплекса RTDS Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика, Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2024. – Т. 24, № 2. – С. 5-17. (год публикации - 2024)
10.14529/power240201

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период выполнены следующие работы: 1. Реализация (программирование) макетного образца цифрового блока цифрового трансформатора тока и напряжения (ЦТТН) 6(10) кВ с функцией релейной защиты и автоматики (РЗА). Было реализовано две функции РЗА – определение места междуфазного короткого замыкания (КЗ) и определение поврежденного участка при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ). Для определения расстояния до места короткого замыкания (КЗ) использовались известные формулы, учитывающие сопротивление по контуру фаза-фаза и мгновенные значения токов и напряжений поврежденных фаз. Для алгоритма определения поврежденного участка при ОЗЗ производился расчет угла между векторами напряжения нулевой последовательности и производной тока нулевой последовательности. Использовалось быстрое преобразование Фурье с окном наблюдения, равным периоду промышленной частоты (20 мс.). 2. Разработка методики исследования работы функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. Разработана методика исследования функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. Для дополнительных исследований алгоритмов, реализованных непосредственно в ЦТТН, был сформирован банк тестовых осциллограмм, содержащих различные случаи ОЗЗ. Также реализована программа для Windows, позволяющая проводить проверку функций РЗА для осциллограмм аварийных процессов, записанных в формате csv – файлов. 3. Исследование работы функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. Было проведено исследование работы функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ. На высоковольтной установке было выполнено более 1000 натурных экспериментов. Остальные исследования проводились в «оффлайн» режиме, при подаче записанных в csv-формате осциллограмм ДПОЗЗ и КЗ в разработанную программу PhaseFaultDetectorApp. 4. Оценка экономического эффекта от внедрения технологий на основе ЦТТН 6(10) кВ в РЭС. Выполнена оценка экономического эффекта от внедрения технологий на основе ЦТТН 6(10) кВ в РЭС. В Excel разработана модель, позволяющая рассчитать основные экономические показатели. Проведена оценка эффекта от применения ЦТТН 6(10) кВ в качестве устройства локации ОЗЗ, при реализации в нем способа определения направления ОЗЗ, описанного выше. 5. Общие выводы по работе (за 2 года выполнения Соглашения). 5.1. Проведена экспериментальная оценка работы ЦТТН 6(10) кВ в условиях ДПОЗЗ. По результатам испытаний, ЦТТН выдержал воздействие электрических величин при ДПОЗЗ, не разрушаясь. Замеренный уровень кажущихся заряда частичных разрядов не был превышен. По метрологическим характеристикам ЦТТН соответствовал тем, что указаны в его паспорте. Наблюдалось увеличение погрешности ЦТТН при высоких частотах первичного сигнала (порядка 20 кГц). 5.2. ЦТТН может использоваться в качестве источника сигнала для РЗА, основанной на измерении сигналов низкой частоты (до 9 гармоники). Применение ЦТТН позволяет уменьшить стандартные коэффициенты отстройки и коэффициенты предельных погрешностей трансформаторов тока и повысить чувствительность защит. 5.3. Алгоритм определения направления ОЗЗ, реализованный непосредственно в цифровом блоке, показал достаточную чувствительности при внутренних ОЗЗ, включая ДПОЗЗ. При внешних ДПОЗЗ наблюдалось излишнее срабатывание (примерно в 6% случаев). 5.4. Экономические эффекты от внедрения ЦТТН обеспечиваются уменьшением затрат на поиск места ОЗЗ, уменьшением недоотпуска электроэнергии при КЗ (возникших при переходе длительных ОЗЗ в КЗ), уменьшением погрешности учета электроэнергии. Получено, что для модели РЭС Центрального региона, дисконтируемый срок окупаемости при модернизации составит 5 лет. 6. Представление результатов работы на Международных выставках и конференциях. Результаты работы представлены на 3 конференциях. 7. Публикации в изданиях, индексируемых в RSCI и базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). Опубликовано 3 работы в изданиях, индексируемых в БД Scopus, 1 работа в журнале, индексируемом в RSCI. Основные научные результаты в отчетном периоде 1. Реализованы функции РЗА в макетном образца цифрового блока ЦТТН 6(10) кВ. В электронном блоке ЦТТН реализовано две функции – определение места междуфазного короткого замыкания (КЗ) и определение поврежденного участка при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ). Разработанные функции позволяют значительно уменьшить время на поиск места повреждения любого вида, при величинах переходных сопротивлений до 1000 Ом. 2. Разработана методика исследования работы функции РЗА, реализованной непосредственно в цифровом блоке ЦТТН 6(10) кВ Разработанная методика позволяет проводить экспериментальные исследования работы ЦТТН и реализованных в нем функций в условиях, приближенных к реальным электроустановкам. Применение комплекса моделирования в режиме реального времени RTDS позволяет автоматизировать проведение исследований. Разработанная методика имеет практическую ценность, и может применяться разработчиками измерительных трансформаторов тока и напряжения (в том числе, цифровых). Создан банк осциллограмм ОЗЗ различных видов (порядка 20 000 осциллограмм), который может использоваться для исследования работы ЦТТН и устройств РЗА при данных видах повреждений. 3. Получены результаты исследования функции РЗА, встроенной в цифровой блок ЦТТН 6(10) кВ. Получены следующие результаты исследования функции определения места КЗ: – чувствительность к переходным сопротивлениям до 1000 Ом; – погрешность не более 3% от длины линии; – время работы алгоритма: 20 мс (базовое значение), 40 мс при использовании медианного фильтра. Получены следующие результаты исследования функции определения направления ОЗЗ: – чувствительность к переходным сопротивлениям до 1000 Ом; – правильная работа при внутренних ОЗЗ (дуговых и устойчивых); – правильная работа при внешних ОЗЗ в 94% моделируемых случаев; – отказы функционирования при внешних ОЗЗ в 6% случаев, связанные с излишним срабатыванием.; – время работы алгоритма: 20 / 40 мс. 4. Оценен экономический эффект от внедрения от внедрения технологий на основе ЦТТН 6(10) кВ. Получено, что для модели РЭС основные экономические показатели будут следующими: – IRR внутренняя норма доходности 43%; – PP простой срок окупаемости 4 года; – дисконтируемый срок окупаемости 5 лет. 5. Опубликованы 4 статьи, рецензируемые в Scopus и RSCI. 6. Результаты исследований представлены на 3 научно-технических конференциях: 7. Результаты исследований составляют часть выпускной-квалификационной работы (ВКР) студентов ИГЭУ, Пискунова Д. и Исакова Е. ВКР Пискунова Д получила I место в Седьмом всероссийском открытом конкурсе работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов. 8. Результаты исследований составят часть диссертационной работы Кузьминов Н.В.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты работы могут использоваться при модернизации РЭС, при создании цифровых РЭС. Результаты могут использоваться для совершенствования систем на основе ЦТТН, для разработки и совершенствования алгоритмов РЗА.