Buletinul institutului politehnic Iasi

Tomul LII (LVI), FASC. 5, 2006

Electrotehnica, Energetica, Electronica

Simularea ATP- Models a functionarii releelor de impedanta.

Partea I: Implementare ATP- Models

Rezumat: Releele moderne digitale ne ofera o mare vaietate de functii si algoritmi de protectie. In prima parte s-a prezentat algoritmi pentru estimarea valorilor de varf pentru voltaj si curent si a parametrilor impedantei aparente. In aceasta parte a lucrarii sunt scoase in evidenta unele aspecte privind implementarea algoritmilor in software-ul ATP - Models. Pentru a obitne rezultate credibile ale acestora, nu trebuie neglijata diferenta dintre esantioanele de intervale ale modelului retelei si cele ale releului.

1. Introducere

Dimensiunile actuale si complexitatea retelelor de putere implica structuri active si dinamice, conducand la tot mai frecvente schimbari ale nivelelor curentilor, asa ca sensibilitatea si selectivitatea unei intregi multimi de relee trebuie frecvent verificate si ajustate.

Ca o consecinta a scurtei perioade de timp intre aparitia erorii si decizia de comutare a releelor digitale, saturatia transformatoarelor de current poate fi neglijata [1] desi unii autori arata ca in cazul unei saturatii maxime a unui transformator distanta de releu devine neselectiva[2]. Oricum, majoritatea studiilor nu considera o asemenea neliniaritate.

2. Implementarea releelor ATP

Neglijand neliniaritatea transformatoarelor de curent, diagramele releelor si nivelele lor de comutare sunt oferite corespunzator circuitelor primare, astfel ca modelarea voltajului asociat si a transformatoarelor de current nu mai este necesara.

Datele de inceput ale unui model de releu cu impedanta completa sunt urmatoarele: tensiunile din busbar, curentii prin liniile comutatoarelor si pozitiile acestora, frecventa sistemului, lungimea liniilor si depinzand de model, unii parametrii ai liniilor etc.

Indiferent de tipul releelor, analogice sau digitale, simularea tranzistoarelor ATP este o abordare numerica, astfel ca frecventa probelor trebuie discutata. Totusi, in idea obtinerii de rezultate corecte, pasul simularii ar trebui sa fie cat mai mic posibil, tensiunile si curentii digitizati devenind similari cu analogii lor reali. In plus, conditia de pas mic este obligatorie atunci cand modelele liniilor sunt distribuite dupa tipul parametrilor. Asemenea pasi mici sunt adecvati pentru modelarea releelor analoagice, dar nu si digitale. Releele digitale proceseaza semnalele rezultatele rezultate din debitul convertoarelor analogic-digital, de obicei 12 sau 20 probe pe ciclu. Asa ca, diferiti timpi de proba trebuie folositi pentru a genera semnalele scurte inspre reteaua modelui ATP si sa simuleze releul in sectiunea ATP-MODEL a fisierului sursa de simulare.

O analiza spectrala Fourier a voltajului trecator si a curentului din faza gresita, pentru un singur defect fazic la o retea simpla de 400 kV, da rezultatele aratate in figura 1.

Fig 1. 1b2

Ca rezultat, din figura 1, amplitudinea componentei de 500 Hz este destul de mica, reprezentand 7,1% din componenta fundamentala din curba curentului, si 6,8% din frecvente fundamentala a undei tensiunii.

Pentru a satisface criteriul Nyquist pentru componenta de 500 Hz a undelor scurte, o frecventa de proba de 1000 Hz este suficienta. Astfel, in modelele releelor digitale, intervalul de timp intre probe poate sa fie de 10^-3 secunde, atata timp cat pasul de timp mic necesar al simularilor retelelor tranzistoarelor este de 10^-4 secunde sau chiar mai mic.

Componentele de inalta frecventa afecteaza in special forma voltajelor si mai putin curba curentilor de eroare, in timp ce descresterea exponentiala a curentului DC compensatoriu afecteaza intr-un mod mai vizibil forma curentului decat cea a voltajului scurt/trecator. Cu toate astea, componenta unui releu de impedanta care proceseaza caracteristicile curentului ar rebui sa fie mai complexa decat cea care se ocupa de procesarea voltajului.

Traductorii si filtrele low-pass anti-aliasing a releelor analogice in stare solida elimina descresterea exponentiala a curentului dc compensatoriu si, deasemenea si majoritatea componentelor de frecventa inalta[3]. In aceste conditii, un model de releu de distanta analogic destinat pentru de coordonarea sistemele de protectie poate fi ilustrat sa prelucreze doar regimul de mentinere a erorii , folosind acelasi pas de timp pentru modelul releului ca si cel al modelului retelei.

Modelul releului analogic este unul simplu, continand module pentru calculul valorile de varf ale tensiunilor si curentilor, si module pentru calculul unghiului de faza dintre acestea. Astfel, algoritmul lui Mann si Morrison sau cel al lui Gilcrest sau chiar si algoritmul lui Gilbert pot fi folosite pentru a estima parametrii impedantei aparente, dupa cum s-a prezentat in prima parte a acestei lucrari. Desigur, un asemenea model de releu analogic nu este recomandabil pentru a fi folosit direct intr-o analiza a influentei trecatoare/scurte asupra sistemelor de relee pentru distanta. Schema bloc a releului trebuie sa fie inchisa de semnalul de resetare a regimului trecator. Un semnal de stop trebuie generat de asemenea, in ideea de a simula elementul directional al releului, defazajul dintre eroarea curentului si tensiune fiind inductiv.

Modelul releului analogic poate fi realizat folosind functiile si mecanismele ATP-TACS si de asemenea programarea ATP-MODEL, si are aceeasi structura pentru toate zonele de protejare ale diagramei impedantei releului[4].

Releele de impedanta digitale iau decizia de comutare in primul ciclu complet sau jumate de ciclu dupa aparitia erorii, asa ca modelele acestor relee trebuie sa prelucreze intr-un mod corespunzator tensiunile si curentii tranzitorii.

Descresterea exponentiala a componentei curentului dc compensatoriu din voltaje poate fi neglijata, practic netinandu-se cont de unghiul de incepere al erorii. Astfel, tensiunile trebuie sa fie prelucrate in modelul releului numai la frecvente inalte. Ca rezultat dupa prima parte a lucrarii, algoritmul de Transformare Discreta Fourier este destul de precis pentru a extrage valoarea maxima a tensiunii sinusoidale fundamentale, fara a fi nevoie de alte metode de filtare.

Considerand N=20 de probe intr-un inteval de 0.02 secunde a sinusoidei tensiunii fundamentale de 50 Hz, partile reale si iamginare ale fazorului tensiunii rezulta din urmatoarele formule DFT:

iar formulele calculeaza modulul fazorului tensiunii astfel:

Pentru un defect cu o singura faza aparut la 400 kV, 300 km, deasupra liniei de evolutie a timpului a erorii fazice a voltajului, la sfarsitul transmisiei, si cu semnalul de eisire a algoritmului DFT sunt desenate in figura 2. Linia este realizata din 400 piloni PAS si legatura de faza are 2 conductori de 450 mm². Linia este conectata la ambele capete si defectul apare la 80% din lungimea ei.

Parametrii voltajului trecator sunt calculati din momentul 0 al simularii. Curentii si voltajele trecatoare (scurte) sunt generate in modelul retelei la fiecare 10^-4 secunde iar iesirile DFT sunt calculate intr-un mod recursiv, doar pentru ultimele 20 de valori (frecventa de proba/esantion de 1000 Hz).

Dupa cum rezulta din figura 2, defectul apare la 0,035 secunde, si rezultatul algoritmului DFT atinge valoarea constanta imediat dupa primul ciclu, oscilatiile apropiate valorii medii fiind mai mici decat 0 %.

In cazul analizei curentului, rezultatele algoritmului DFT sunt influentate de descresterea exponentiala a curentului dc compensatoriu , valori finale fiind obtinute numai dupa un interval de timp avand timpul din circuitul primar constant.

Figura 2

Daca prima zona de parcurs este obiectul de studiu, sau daca liniile retelei au in mare secvente egale de impedanta pozitiva, o metoda eficienta pentru eliminarea curentului dc - offset este acea bazata pe copia autentica a impedantei principale, rezultate bune fiind obtinute in urma utilizarii formulei:

unde t este intervalul de timp cuprins intre esantioane, R si L fiind parametrii nominali ai secventei pozitive a linei supravegheate. O intarziere suplimentara de 2t trebuie compensata in modelul software al releului.

Pentru linia de 400 kV descrisa mai sus, parametrii secventei pozitive sunt R= 61 W si X = 342,6 W, rezultand raspunsul DFT ca in figura 3.

Figura 3.

Modelul unui releu digital, va contine un modul pentru respingerea componentei dc-offset din curentul trecator/scurt, module bazate pe olgoritmi recursivi DFT pentru calcularea partilor reale si imaginare a voltajului respectiv curentului filtrat si module pentru calculul impedantei aparente a parametrilor fazorului.

3. Rezultate

Evolutia fazorului impedanta in planul Z, dupa primul ciclu al algoritmilor, pentru aceeasi linie anterioara de 400 kV, este cea reprezentata in figura 4. In figura 4.a sunt folositi algoritmii DFT si unul de tip A3 [4], similar celui Gilcrest. In figura 4.b se foloseste algoritmul DFT si cel al impedantei replica, rezultatul fiind reprezentat in prima zona MHO a drumului unui releu digital.

Figura 4.

Utilizarea algoritmului impedantei copii pentru calculul erorii curentului, practic ofera valoarea finala dupa primul ciclu, si este foarte stabila.

Unele dintre rezultatele simularii unui defect localizat la 80% din lungimea liniei anterioare de 400 kV, incepand cu sfarsitul transmisiei, sunt date in tabelul 1.

Tabelul 1.

Facand abstractie de modelul liniei, imediat dupa primul ciclu de la aparitia erorii, parametrii impedantei ating primele lor valori stabile, cu o eraorea mai mica de 1%. Atunci cand distanta de la pozitia releului pana la eroare este mica, si eroare este mica.

4. Concluzii

Modelul analog pentru releele de impedanta al lui Mann, cel a lui Gilcrest, cat si algoritmul Gilbert pot fi folosite pentru estimarea parametrilor impedantei aparente, folosind acelasi interval/pas de timp in modelul retelei cat si in cel al releelor.

In cazul releelor digitale de impedanta, voltajele scurte pot fi procesate cu ajutorul algoritmului DFT, asemenea abordare nefiind corespunzatoae pentru curentul trecator al defectului. Descresterea exponentiala a curentului dc-offset trebuie indepartata, algoritmul modificat Gilcrest, principiul impedantei replica, cat si alte tipui de algoritmi A3 fiind potriviti pentru astfel de operatii. DFT aplicat unui astfel de semnal de filtrare ofera valorile varf dupa primul ciclu, fara oscilatii care ar conduce la o comutare gresita. Indiferent de algoritmul folosit , frecventa esantion din modelul releului este mai mica decat cea din modelul retelei.

* "Gh. Asachi" Technical University, Deartment of Power Wngineering, Iasi, Romania.

** Romanian National Power Company "Transelectrica", Bacau Subsidiary.

Refrences.

SIMULAREA ATP-MODELS A FUNCTIONAROO RELEELOR DE IMPEDANTA.

PARTEA I: IMPLEMENARE ATP MODELS

(Rezumat)

Se prezinta posibilitatile de implementare in software ATP, in sectiunea MODELS, a unor algoritmi destinati calculului parametrilor vectorului impedanta de defect, masurati de releele de distanta instalate pe liniile retelelor de transport a energiei electrice. Sunt precizate posibilitatile adecvate pentru modelarea releelor analogice si a celor digitale, atat in ceea ce priveste eroarea de estimare, cat si in ceea ce priveste timpul de raspuns al modelului