э л е к т р о э н е р г е т и к а УДК 621.316.925 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАЛЕННЫХ МЕЖДУФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЛИНИЯХ 6–10 (35) кВ С ОДНОСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ Докт. техн. наук, проф. РОМАНЮК Ф. А., кандидаты техн. наук, доценты НОВАШ И. В., РУМЯНЦЕВ В. Ю., доц. БОБКО Н. Н., инж. УСТИМОВИЧ В. А. Белорусский национальный технический университет Математические модели распределительной сети совместно с моделями релейных защит позволяют создавать комплексы компьютерных программ для исследования поведения защит в различных режимах. Математическим аппаратом таких моделей являются обыкновенные дифференциальные и алгебраические уравнения, включая нелинейные уравнения аппроксимации характеристик намагничивания магнитопрово- дов трансформаторов [1]. Дифференциальные уравнения формируются на основе второго закона Кирхгофа для электрических контуров распредели- тельной сети, в которых учитываются падения напряжения на резистив- ных, индуктивных и емкостных элементах схем замещения питающей системы, линий электропередачи, нагрузок, а также ЭДС, наводимые в обмотках трансформаторов переменными магнитными потоками, урав- нения движения электродвигателей. Алгебраические уравнения – это урав- нения балансов токов в узлах распределительной сети, магнитных потоков в узлах и уравнения равновесия МДС и магнитных напряжений в контурах магнитных цепей магнитопроводов трансформаторов, уравнения моделей электродвигателей. В систему алгебраических уравнений входят нелиней- ные аппроксимирующие выражения характеристик намагничивания маг- нитопроводов трансформаторов, из-за наличия которых систему диффе- ренциальных уравнений невозможно привести к стандартной форме Коши для выполнения их численного решения шаговыми методами. Совместное решение дифференциальных и алгебраических уравнений возможно при решении нелинейной системы алгебраических уравнений методом итераций на каждом шаге интегрирования, что требует достаточ- но сложных алгоритмов решения [2] и приводит к увеличению длительно- сти вычислительного процесса. Длительность исследуемых режимов при испытании резервных ступеней токовых защит линий 6–10 (35) кВ состав- ляет 3–5 с. При таком достаточно большом расчетном интервале времени необходимо, чтобы программы вычислительного эксперимента имели качественные и количественные характеристики работоспособности, обес- печивающие устойчивость решения, быстродействие, точность и достовер- ность выдаваемых результатов на всем расчетном интервале. 5 На кафедре «Электрические станции» БНТУ на протяжении многих де- сятилетий ведутся работы по математическому моделированию электро- энергетических объектов и разрабатываются компьютерные программы для исследования поведения устройств релейных защит методом вычисли- тельного эксперимента. Под руководством докт. техн. наук, проф. В. И. Но- ваша была создана школа математического моделирования и разработаны десятки компьютерных программ. Комплексные математические модели расчетных схем с понизительными подстанциями содержат модели сило- вых и измерительных трансформаторов, учитывающие их конструктивные особенности [3–5], что, по мнению авторов, позволяет получать результа- ты, наиболее близкие к реальным, с учетом нелинейных искажений выход- ных сигналов трансформаторов из-за насыщения магнитопроводов в ава- рийных режимах. Большинство созданных компьютерных программ разрабатывалось в период массового внедрения первых ПЭВМ, работающих под управлени- ем операционной системы DOS. Поэтому расчетные программы представ- ляют собой программные исполняемые модули, дополняемые файлами с исходными данными и результатами расчетов. Сами программы разраба- тывались на алгоритмическом языке FORTRAN с использованием графи- ческих операторов языка для вывода результатов расчета на экран монито- ра в виде осциллограмм расчетных параметров (токов и напряжений). В настоящее время в связи с применением ПЭВМ с новыми типами микро- процессоров и современных многооконных операционных систем типа Windows с развитым графическим и мультимедийным интерфейсом ис- пользование подобных расчетных программ становится затруднительным. Однако опыт применения таких программ в учебном процессе и ис- пользование в проектных институтах и фирмах – разработчиках микропро- цессорных защит показывают их актуальность и необходимость адаптации к современным ПЭВМ. В статье рассмотрен пример создания современного программного комплекса для исследования удаленных междуфазных замыканий на лини- ях 6–10 (35) кВ с односторонним питанием на базе модифицированных фортрановских расчетных модулей и системы объектного программирова- ния DELPHI. Комплексная математическая модель и компьютерная фор- тран-программа [6] были разработаны на кафедре «Электрические стан- ции» и являются законченным программным продуктом, предназначенным для исследования режимов работы понизительной подстанции с двумя ти- пами линий 6–10 (35) кВ: непосредственно питающихся от шин низкого напряжения (НН) понизительной подстанции и линий, удаленных от шин НН. Комплексные математические модели для расчета междуфазных замы- каний на таких линиях различаются между собой. Расчетная схема для проверки токовых защит линий, непосредственно питающихся от шин НН понизительной подстанции (линия Л1), приведена на рис. 1. Для проверки селективности и защитоспособности первых ступеней защиты от между- фазных замыканий (токовые отсечки мгновенного действия) расчет- ной программой воспроизводятся двух- и трехфазные замыкания на самой защищаемой линии (точка К1 для линии Л1 и точка К2 для линии Л2). 6 В расчетную схему для проверки защит линий, удаленных от шин НН, вве- дена линия Л3 (рис. 2). Проверка защитоспособности вторых ступеней трех- ступенчатых защит проводится по программе с воспроизведением между- фазных замыканий на защищаемой линии и на смежном участке (точка К2 для линии Л2 и точка К3 для линии Л3). Короткие замыкания (КЗ) в конце смежных участков воспроизводятся для проверки чувствительности ступе- ней дальнего резервирования – максимальной токовой защиты. Рис. 1 Рис. 2 Расчетная программа последовательно во времени воспроизводит уста- новившийся нормальный режим, предшествующий КЗ; режим КЗ – двух- 110 - 220 кВ сS *с0 *с1, R , R Сист . T ххк*0*к НН н ВН нн ,,, ,,, PPXX UUS  св0св0 св1св1 , , RX RX ЛЭП 6 -10 (35) кВ Л1 л1l кl K1 Д д1P Л2 л2l кl н2н2 , QP K2 НВНВ, QP НННН , QP РЗ н1н1, QP тн тн R X *с0X *с1X лл , QP 110 - 220 кВ сS *с*с 0 , RX 0 *с1*с 1 , RX Сист . Сист Хс1*, Rс1* Хс1 , Rс1* Хс*, Rс0* Хс*, Rс0* T ххк*0*к НН н ВН нн ,,, ,,, PPXX UUS  св 0св0 св1св1 , , RX RX ЛЭП НВ , QP 6 -10 (35) кВ Л1 Л2 л2l кl н2н2 , QP Д д2P K2 н3н3 , QP Л3 НН , QP K3 НН кl н1U л3l НВ тн тн 110–220 кВ 110–220 кВ X R 6–10 (35) кВ 6–10 (35) кВ РЗ н1н1, QP лл , QP 7 фазного или развивающегося трехфазного; режим отключения КЗ; послеа- варийный режим. Результаты расчетов выводятся на экран монитора в виде осциллограмм вторичных токов трансформаторов тока и напряжений трансформаторов напряжения защищаемой лини. Параллельно выводу на экран монитора численные значения расчетных токов и напряжений запи- сываются во внешний файл результатов. Результаты расчетов – входные сигналы защиты – могут быть использованы в программно-аппаратном диагностическом оборудовании для стендовых испытаний токовых защит линий 6–(10) 35 кВ с односторонним питанием. На рис. 3 приведены ре- зультаты расчета – осциллограммы токов защищаемой линии Л2 – при двухфазном коротком замыкании в точке К2 между фазами А и С, перехо- дящем в трехфазное замыкание. На графиках отражены: исходный доава- рийный режим (от 0 до 0,1 с), момент возникновения КЗ (0,1 с), аварийный режим (0,10–0,25 с), момент отключения КЗ (0,25 с) и послеаварийный ре- жим (от 0,25 до 0,30 с). 000 k 3000 Рис. 3. Результаты расчета двухфазного, переходящего в трехфазное, замыкания на линии Л2 в точке К2 Новый программный комплекс для исследования удаленных между- фазных замыканий на линиях 6–10 (35) кВ с односторонним питанием раз- работан с использованием системы объектного программирования DELPHI. Для этого была разработана управляющая программа-оболочка, которая с помощью интерактивного графического интерфейса (рис. 4) по- зволяет активизировать окна ввода и редактирования исходных данных отдельных элементов расчетной схемы (системы питания, силового транс- форматора, измерительных трансформаторов тока, асинхронного двигате- ля), осуществлять выбор линии, места и вида замыкания для проведения вычислительного эксперимента, изменять параметры расчетного режима. В отдельном окне можно редактировать содержание файла исходных дан- ных. В окне вывода результатов расчета выводятся графики расчетных па- раметров (первичных токов исследуемой линии или вторичных токов трансформаторов тока). Для выполнения расчетов режимов линий в про- граммном комплексе используется в виде dll-модуля модифицированный фортрановский модуль расчетной программы [6] и откомпилированный в системе программирования Fortran PowerStation, в котором сохранена только программная реализация алгоритма расчета комплексной матема- тической модели для вычисления всех токов и напряжений расчетных схем (рис. 1, 2) моделируемой понизительной подстанции с присоединенными 8 линиями электропередачи. Результаты расчетов записываются во внешний файл данных, который может использоваться в дальнейшем для передачи информационного токового сигнала трансформаторов тока в программу, моделирующую работу исследуемой защиты. Все графические построения и интерактивные функции графического интерфейса реализуются с помощью команд и операторов системы объектного программирования DELPHI. Рис. 4. Интерактивное окно программного комплекса исследования режимов работы линий 6–10 (35) кВ с односторонним питанием Разработанный новый программный комплекс имеет проверенную практикой достоверность ранее разработанной расчетной программы [6] и может применяться на любых современных ПЭВМ. Рассмотренный при- мер показывает возможность адаптации компьютерных программ, ориен- тированных на устаревшие и неприменяемые в настоящее время операци- онные системы, к новым операционным системам, используемым на со- временных ПЭВМ. При этом сохраняется достоверность получаемых результатов за счет применения одних и тех же программных алгоритмов решения математических моделей исследуемых объектов и повышается скорость вычислений за счет использования функций современных систем объектного программирования. Необходимо добавить, что в системе программирования Fortran Power- Station можно получать исполняемые exe-модули, выполняющие только расчет требуемых параметров (токов, напряжений, индукций и т. п.) моде- лируемого объекта с сохранением результатов расчета во внешнем файле данных. Исходные данные к расчету записываются во внешнем файле дан- ных, редактирование которого можно осуществлять с помощью стандарт- ных текстовых редакторов. Дальнейшая обработка результатов (построе- ние графиков, расчет действующих значений, проведение гармонического анализа и др.) может выполняться с помощью математических пакетов типа MathCad [7]. Такой подход значительно упрощает программную реа- лизацию вычислительного эксперимента и существенно снижает стои- мость программного продукта. На рис. 5 приведен пример визуализации 9 результатов расчетов с вычислением действующих значений токов на со- ответствующих интервалах времени, выполненный в математическом па- кете MathCad. Такой вариант программного продукта актуален для прове- дения вычислительных экспериментов без разработки коммерческих ком- пьютерных программных комплексов. d:= READPRN (“D:\Rum\GB2011\Vadim\TOKI_TT”)* Расчет действующих значений тока фазы А защищаемой линии Рис. 5. Построение графиков токов исследуемой линии и расчет действующих значений в пакете MathCad В Ы В О Д Ы 1. Разработан программный комплекс для исследования удаленных междуфазных замыканий на линиях 6–10 (35) кВ с односторонним питани- ем с использованием системы объектного программирования DELPHI. 2. Проведены расчеты режимов работы удаленных линий при между- фазных замыканиях, подтверждающие работоспособность нового про- граммного комплекса и достоверность получаемых результатов расчета. 10 Л И Т Е Р А Т У Р А 1. И н ф о р м а ц и о н н о е и математическое обеспечение вычислительного экспе- римента в исследовании цифровых измерительных органов дистанционных защит линий 6–10 (35) кВ / Ф. А. Романюк [и др.] // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2001. – № 2. – С. 3–11. 2. Н о в а ш, И. В. Об использовании неявных методов численного решения дифферен- циальных уравнений в расчетах электромагнитных переходных процессов / И. В. Новаш // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 1994. – № 1–2. – С. 44–48. 3. Н о в а ш, И. В. Математическая модель трехфазного трехстержневого трансформа- тора на базе второй теории рассеяния / И. В. Новаш // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заве- дений). – 1986. – № 5. – С. 36–41. 4. Н о в а ш, И. В. Математическое моделирование трансформатора с расщепленными обмотками для исследования электромагнитных процессов / И. В. Новаш // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2000. – № 2. – С. 9–15. 5. Р о м а н ю к, Ф. А. Информационное обеспечение вычислительного эксперимента в релейной защите и автоматике энергосистем / Ф. А. Романюк, В. И. Новаш. – Минск: ВУЗ-ЮНИТИ, 1998. – 174 с. 6. Р а з р а б о т к а программного обеспечения аппаратно-диагностического комплекса для функциональных испытаний микропроцессорных токовых защит линий 6–35 кВ: отчет о НИР (заключ.) / БГПА. – Минск, 2002. – 130 с. – X. д. № 287/112д-06. 7. М а к а р о в, Е. Г. MathСad: учеб. курс (+CD) / Е. Г. Макаров. – СПб.: Питер, 2009. – 384 с. 11