Теоретичні основи розвитку цифрових технологій в системах автоматизації, діагностики, контролю та захисту електротехнічних комплексів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертацію присвячено розвитку теорії електромагнітних перехідних процесів в електротехнічних комплексах і системах низької напруги при несиметричних режимах роботи розподільних мереж електропостачання, а саме розробці теоретично обґрунтованого системного комплексу наукових методів і дослідницьких підходів застосування цифрових технологій для вдосконалення захисних характеристик апаратів релейного захисту та протиаварійної автоматики електричних мереж напругою 0,4 кВ. Теоретично обґрунтована та доведена доцільність розкладання сигналів, що являють собою складні коливання, на гармонійні складові, шляхом їх дискретизації множенням на ґратчасту дельта-функцію з частотою меншою за подвоєну частоту Найквіста, що дало можливість розширити перелік діагностованих аварійних режимів роботи розподільних мереж електропостачання напругою 0,4 кВ магістральної конфігурації. Здобула подальший розвиток теорія цифрової обробки аналогових сигналів шляхом їх множення на гратчасті дельта-функції з різними інтервалами дискре-тизації, що дозволило прискорити аналіз гармонійного спектру фазних струмів і струму в нейтральному провіднику за наявності нелінійних спотворень їх синусоїдальної форми внаслідок різної характеристики навантажень. Теоретично обґрунтована доцільність застосування методів цифрової обробки сигналів отриманих від датчиків струму для формування комплексних критеріїв спрацьовування максимальних струмових захистів при міжфазних коротких замиканнях з метою ідентифікації аварійних режимів роботи електричної мережі за ступенем спотворень середньоквадратичних значень фазних струмів в перехідному режимі, що дозволило знизити поріг чутливості максимального струмового захисту до рівня струмів віддалених коротких замикань, значення яких менші за пускові струми асинхронних електродвигунів підключених на початку лінії електропередачі. Встановлено процедури цифрової обробки отриманих від датчиків струму сигналів з метою вилучення інформації про такі параметри електричного кола, як коефіцієнт потужності й гармонійний спектр фазних струмів, виходячи з аналізу спотворених під впливом нелінійних навантажень й аперіодичної складової середньоквадратичних значень, обчислених в перехідному режимі за час, що не перевищує одного періоду зміни фазної електрорушійної сили. Науково обґрунтована та доведена доцільність формування критерію спрацьо-вування захисту нейтрального провідника від струмів перевантаження та струмів однофазних коротких замикань без залучення гармонійного аналізу спектру несинусоїдального струму, коли цілеспрямоване спотворення середньоквадратич-ного значення шляхом вибору відповідної частоти дискретизації вихідної аналогової залежності дозволяє не враховувати величину струму третьої гармоніки при побудові захисту від струмів однофазних коротких замикань і враховувати при побудові захисту від струмів перевантаження. З урахуванням розвитку існуючої методології в галузі теорії цифрової обробки сигналів розроблений комплекс наукових методів та дослідницьких підходів до вирішення актуальної науково-прикладної проблеми вдосконалення захисних характеристик апаратів максимального струмового захисту, а саме: • методи визначення коефіцієнта потужності електричного кола в перехідному режимі виникнення надструму для формування комплексного критерію ідентифікації виду збурення: струм віддаленого короткого замикання або пусковий струм асинхронного електродвигуна; • метод аналізу гармонійного складу фазних струмів несинусоїдальної форми для швидкої ідентифікації аварійних режимів роботи розподільних мереж електропостачання за наявності нелінійних навантажень; • метод ковзного моніторингу величини середньоквадратичного значення струму шляхом застосування математичного апарату інтегрування квадратів його миттєвих значень, отриманих з визначеною частотою дискретизації вихідної аналогової залежності струму в часі, який дозволив: діагностувати порушення цілісності нейтрального провідника в будь-якому місці розга-луженої мережі електропостачання з розподіленим вздовж лінії електропе-редачі як лінійним, так і нелінійним навантаженням без залучення гармо-нійного аналізу спектру фазних струмів та сформувати критерії спрацю-вання пристроїв захисту однофазних споживачів електроенергії від пере-напруг спричинених обривом нейтрального провідника; вдосконалити алгоритм захисту нейтрального провідника від струмів перевантаження та струмів однофазних коротких замикань за рахунок врахування гармоній-ного спектру струму в нейтральному провіднику, що дозволило в мережах електропостачання з різною характеристикою навантаження враховувати третю гармонійну складову струму вибірково шляхом вибору відповідної частоти дискретизації вихідної аналогової залежності в часі; • методи діагностування теплового стану асинхронних електродвигунів, що працюють в повторно-короткочасному режимі роботи, шляхом безпосереднього контролю над температурою обмоток статора в момент пуску, засновані на аналізі впливу зміни активного опору обмотки статора при зміні її температури на нерівномірність екстремальних значень миттєвої потужності, що споживає електродвигун при пуску; • метод теплового захисту асинхронних електродвигунів в умовах нелінійних спотворень синусоїдальної форми фазних струмів, який забезпечує зниження порогу чутливості теплового захисту асинхронних електродвигунів при струмах перевантаження за рахунок врахування впливу вищих гармонійних складових у фазних струмах, а саме струму п’ятої гармоніки, яка призводить до додаткових втрат і нагріванню обмоток статора. Розроблені алгоритми цифрової обробки аналогових сигналів отриманих від датчиків струму для забезпечення функціонування мікроконтролерних блоків керування апаратами релейного захисту та протиаварійної автоматики, а саме: • алгоритми швидкої ідентифікації виду надструму, зокрема пускових струмів асинхронних електродвигунів, за час, що не перевищує одного періоду зміни фазної електрорушійної сили після виникнення збурення електричного кола, що дозволило знизити поріг чутливості апаратів максимальних струмових захистів до рівня струмів віддалених коротких замикань і забезпечити режим віддаленого резервування відмов захистів; • алгоритми функціонування мікроконтролерних розчіплювачів автоматичних вимикачів при обриві нейтрального провідника в будь-якому місці розгалуженої мережі з розподіленим вздовж лінії електропередачі навантаженням, в яких за наявності нелінійних навантажень формування критерію спрацьовування захисту здійснюється за рахунок широко використовуваних в пристроях релейного захисту та протиаварійної автоматики математичних операцій інтегрування квадратів миттєвих значень фазних струмів без залучення аналізу їх гармонійного складу; • алгоритм функціонування мікроконтролерних розчіплювачів автоматичних вимикачів при захисті нейтрального провідника від струмів перевантаження та струмів однофазних коротких замикань, який базується на ковзному моніторингу середньоквадратичного значення струму в нейтральному провіднику в режимі, коли цілеспрямовано вносяться спотворення в обчислення середньоквадратичного значення струму шляхом вибору відповідної частоти дискретизації вихідної аналогової залежності, що дозволило не враховувати величину струму третьої гармоніки при побудові захисту від однофазних коротких замикань і враховувати при реалізації захисту від перевантажень щоб забезпечити повну селективність захистів розподільних мереж електропостачання напругою 0,4 кв з глухим заземленням нейтралі як з лінійними, так і з нелінійними навантаженнями без залучення гармонійного аналізу спектра струму в нейтральному провіднику; • алгоритми діагностування теплового стану асинхронних електродвигунів в перехідному режимі пуску шляхом безпосереднього контролю над температурою обмотки статора за зміною її активного опору при нагріванні, суть якого полягає в аналізі нерівномірності екстремальних значень миттєвої та квазімиттєвої потужностей, що споживаються в режимі виникнення пускового струму; • алгоритм функціонування реле теплового захисту асинхронних електродвигунів з урахуванням вищих гармонійних складових у фазних струмах, а саме струму п’ятої гармоніки, яка призводить до додаткових втрат і нагріванню обмоток статора. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та вибраного напряму досліджень, сформульовано головну мету та завдання роботи, наведено наукову новизну та практичну значимість одержаних результатів. У першому розділі наведено науково-технічне обґрунтування актуальності проведення досліджень і розробки методів формування оптимальних алгоритмів функціонування мікроконтролерних засобів протиаварійного керування з метою забезпечення стійкості електроенергетичних комплексів і систем. Також у першому розділі проаналізовані технічні рішення спрямовані на швидке формування критеріїв ідентифікації різних аварійних режимів роботи електричного кола: міжфазних коротких замикань, пусків асинхронних електро-двигунів, однофазних коротких замикань на нейтральний провідник, перенапруг у однофазних споживачів електроенергії внаслідок порушення цілісності нейтрального провідника, перевантажень нейтрального провідника струмами третьої гармоніки, діагностування теплового стану асинхронних електродвигунів при перевантаженнях. У другому розділі розроблені ефективні алгоритми швидкої ідентифікації виду надструму з високою чутливості до струмів віддалених коротких замикань, що дозволило удосконалити захисну часострумову характеристику мікроконтролерних розчіплювачів автоматичних вимикачів і забезпечити як високу швидкодію селективного захисту, так і режим віддаленого резервування відмов апаратів максимального струмового захисту. У третьому розділі отримані математичні співвідношення, що дозволяють в мережах електропостачання з нелінійними видами навантажень і, як наслідок, зі спотворенням синусоїдальної форми фазних струмів враховувати їх гармонійний склад при побудові високочутливих захистів чотирьохпровідних розгалужених мереж електропостачання з розподіленим вздовж магістральної лінії електропередачі навантаженням в аварійних режимах роботи нейтрального провідника. У четвертому розділі теоретично обґрунтовано метод діагностування аварійних режимів електричного кола, який полягає в аналізі нерівномірності екстремальних значень миттєвої потужності, що споживається в перехідному режимі виникнення струму збурення, а саме розроблені математичні моделі теплового стану електродвигунів, що працюють в повторно-короткочасному режимі, при захисті від неприпустимого перевищення температури обмоток шляхом безпосереднього контролю над температурою обмотки статора за збільшенням її активного опору. Запропоновано та реалізовано у вигляді алгоритму функціонування мікропроцесорного пристрою захисту технічне рішення, яке дозволяє в режимі ковзного моніторингу сформувати час спрацьовування реле захисту асинхронних електродвигунів від струмів перевантаження з урахуванням нелінійних спотворень фазних струмів.The dissertation on competition of the scientific degree of the Doctor of Technical Sciences on specialty 05.09.03 – Electrotechnical Complexes and Systems, National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The Dissertation is devoted to the development of the theory of electromagnetic transients in electrotechnical complexes and low voltage systems with asymmetric modes of operation of power distribution networks, namely the development of a theoretically sound system of scientific methods and research approaches to digital technologies application to improve the protective characteristics of relay protection devices and emergency automation of electrical networks with voltage of 0.4 kV. Expediency of decomposition of signals representing complex oscillations into harmonic components by their discretization by multiplication by a lattice delta function with frequency less than twice the Nyquist frequency is theoretically substantiated and proved, which made it possible to expand the list of diagnosed emergency modes of distribution networks with voltage of 0.4 kV of trunk configuration. The theory of digital processing of analog signals by multiplying them by lattice delta functions with different discretization intervals is further developed, which allowed to accelerate the analysis of the harmonic spectrum of phase currents and currents in a neutral conductor in the presence of nonlinear distortions of their sinusoidal shape due to different load characteristics. The expediency of application of methods of digital processing of signals received from current sensors for formation of complex criteria of operation of the maximum current protections at interphase short circuits for the purpose of identification of emergency modes of operation of an electric network on degree of distortions of average square phase current values during transient mode is theoretically substantiated which allowed to reduce the sensitivity threshold of the maximum current protection to the level of currents of short circuits, the values of which are less than the starting currents of induction motors connected at the beginning of the power line. Procedures for digital processing of signals received from current sensors are established in order to extract information about such parameters of electric circuit as power factor and harmonic spectrum of phase currents, based on analysis of distorted under the influence of nonlinear loads and aperiodic component of rms values calculated in transient mode which does not exceed one period of change of phase electromotive force. Expediency of formation of criterion of operation of protection of neutral conductor against overload currents and currents of single-phase short circuits without involvement of harmonic analysis of spectrum of non-sinusoidal current, when purposeful distortion of rms value by selecting the appropriate discretization frequency of the output analog dependence allows not to take into account the value of the current of the third harmonic when constructing protection against single-phase short circuits and to take into account when constructing overcurrent protection. Is scientifically substantiated and proved. Taking into account the development of the existing methodology in the field of digital signal processing theory, a set of scientific methods and research approaches to solving the topical scientific and applied problem of improving the protective characteristics of maximum current protection devices is developed, namely: • methods for determining the power factor of an electric circuit in the transient mode of overcurrent occurrence for the formation of a complex criterion for identifying the type of perturbation: remote short-circuit current or starting current of an induction motor; • a method of analysis of the harmonic composition of phase currents of non-sinusoidal shape for rapid identification of emergency modes of operation of power distribution networks in the presence of nonlinear loads; • a method of sliding monitoring of the rms value of current by applying a mathematical apparatus for integrating the squares of its instantaneous values obtained with determined discretization frequency of the output analog current dependence in time, which allowed: to diagnose the violation of integrity of the neutral conductor at any place of the branch power transmission network with both linear and nonlinear loads without involving harmonic analysis of the phase current spectrum and to form criteria for operation of devices for protection of single-phase electricity consumers from overvoltages caused by a break in a neutral conductor; to improve the algorithm of protection of neutral conductor from overload currents and currents of single-phase short circuits by taking into account the harmonic current spectrum in the neutral conductor, which allowed in power supply networks with different load characteristics to take into account the third harmonic component of current selectively by selecting the appropriate discretization frequency of the input analog time dependence; • methods for diagnosing the thermal state of induction motors operating in repeated short-term operation mode by direct control of the temperature of the stator windings at start-up, based on the analysis of the effect of changes in active resistance of the stator winding when changing its temperature on the non-uniform extreme values of instantaneous power consumption of the electric motor at start-up; • a method of thermal protection of induction motors at nonlinear distortions of sinusoidal shape of phase currents, which reduces the reduction of the sensitivity threshold of thermal protection of induction motors at overload currents by taking into account the influence of higher harmonic components in phase currents, namely the current of the fifth harmonic leading to additional losses and heating of the stator windings. Algorithms for digital processing of analog signals received from current sensors to ensure the operation of microcontroller control units for relay protection devices and emergency automation are developed, namely: • algorithms for rapid identification of the type of overcurrent, in particular starting currents of induction motors, for a time not exceeding one period of change of phase electromotive force after arising of perturbation of the electric circuit, which reduced the sensitivity threshold of maximum current protection devices to the level of currents of remote short-circuits and to provide the mode of remote redundancy of failures of protections; • algorithms of circuit breakers microcontroller releases operation in case of neutral conductor break in any place of branched network with load distributed along the power line, in which in the presence of nonlinear loads the formation of protection criterion is carried out due to widely used in relay protection and emergency automation devices mathematical operations of integration of squares of instantaneous values of phase currents without involvement of the analysis of their harmonic structure; • an algorithm of circuit breakers microcontroller releases operation in protection of neutral conductor from overload currents and single-phase short-circuit currents, which is based on sliding monitoring of rms value of current in neutral conductor in mode when purposefully distortions are introduced in calculating the rms value of the current by selecting the appropriate discretization frequency of the input analog dependence which allowed not to take into account the value of the current of the third harmonic in the construction of protection against single-phase short circuits and to take into account at the implementation of overload protection to ensure full selectivity of protection of distribution networks of 0.4 kV with deaf neutral grounding with both linear and nonlinear loads without the involvement of harmonic analysis of the current spectrum in a neutral conductor; • algorithms for diagnosing the thermal state of induction electric motors in the transient start-up mode by directly controlling the temperature of the stator winding by changing its active resistance when heated, the essence of which is to analyze the non-uniformity of extreme values of instantaneous and quasi-instantaneous power consumption in the mode of occurrence of starting current; • an algorithm of operation of the relay of thermal protection of induction motors taking into account the higher harmonic components in phase currents, namely the current of the fifth harmonic, which leads to additional losses and heating of the stator windings. The Introduction substantiates the relevance of the Dissertation topic and the chosen direction of research, formulates the main purpose and objectives of the work, presents the scientific novelty and practical significance of the results obtained. The first section presents the scientific and technical substantiation of urgency of carrying out of researches and development of methods of formation of optimum algorithms of functioning of microcontroller means of emergency control for the purpose of maintenance of stability of electric power complexes and systems. The first section analyzes the technical solutions aimed at the rapid formation of criteria for identifying different emergency modes of electric circuit operation: interphase short circuits, starts of induction motors, single-phase short circuits on the neutral conductor, overvoltages in single-phase power consumers due to violation of the integrity of the neutral conductor, overloads of the neutral conductor with currents of the third harmonic, diagnosing the thermal state of induction motors during overloads. The second section develops effective algorithms for rapid identification of overcurrent type with high sensitivity to remote short-circuit currents, which allowed to improve the protective time-current characteristics of circuit breakers microcontroller releases and provide both high-speed selective protection and remote backup mode of failures of devices of the maximum current protection. In the third section, mathematical relations are obtained that allow in power supply networks with nonlinear types of loads and, as a consequence, with distortion of sinusoidal shape of phase currents to take into account their harmonic composition when constructing highly sensitive protections of four-wire branched power supply networks with the load distributed along the main power line in emergency modes of operation of the neutral conductor. The fourth section theoretically substantiates a method of diagnosing emergency modes of an electric circuit, which consists in analyzing the non-uniformity of extreme values of instantaneous power consumed in the transient mode of perturbation current occurrence, namely, mathematical models of thermal state of electric motors operating in repeated short-term mode when protecting against unacceptable excess of temperature of the windings by direct control of the temperature of the stator winding by increasing its active resistance are developed. A technical solution is proposed and implemented in the form of an algorithm for the operation of a microprocessor protection device, which allows in the mode of sliding monitoring to generate the operation time of protection relay of induction motors against overload currents taking into account nonlinear distortions of phase currents.