Журнал «Релейная защита и автоматизация» №4 (49) 2022
Обзор методов решения проблемных вопросов функционирования устройств защиты в microgrid напряжением до 1 кВ с распределенными источниками энергии
д.т.н. Илюшин П.В.,
Институт энергетических исследований Российской академии наук, г. Москва, Россия,
Вольный В.С.,
Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, Россия.

Аннотация: в условиях массовой интеграции распределенных источников энергии (РИЭ) в пассивные распределительные сети напряжением до 1 кВ они преобразуются в microgrid. При изменении схемно-режимных условий возникают проблемные вопросы, связанные с функционированием находящихся в эксплуатации устройств защиты (УЗ). Большая часть РИЭ, включая объекты генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), интегрируются в microgrid посредством инверторных преобразователей. Указанные РИЭ при коротких замыканиях (КЗ) внутри microgrid обеспечивают величину тока подпитки места повреждения не более 1,2-2,0Iном. Это создает сложности с идентификацией места повреждения и селективным отключением поврежденного элемента традиционными УЗ. В статье приведен обзор технических решений по усовершенствованию традиционных защит, исторически применявшихся в пассивных распределительных сетях, а также созданию современных защит, основанных на инновационных принципах и новых методах. Применение адаптивных защит, построенных по децентрализованному и централизованному принципам, позволяет в большинстве случаев обеспечить надежную защиту microgrid. Современные интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ), в которых реализуются функции защиты, имеют более высокие показатели технического совершенства в части надежности, чувствительности, селективности и быстродействия. Использование при реализации современных защит мультиагентных систем требует наличия широкополосных каналов связи, что сдерживает их применение по причине высокой стоимости. Совместное использование ограничителей токов короткого замыкания (ОТКЗ) и систем накопления электроэнергии (СНЭЭ) позволяет обеспечить надежное функционирование защит в microgrid. Применение современных УЗ обеспечивает надежную работу РИЭ и электроснабжение потребителей в microgrid как при параллельной работе с энергосистемой, так и в островном режиме. Так как единой концепции построения защит в microgrid с РИЭ не существует, то выбор конкретных подходов к построению защит должен основываться на результатах сравнительного технико-экономического анализа различных вариантов.

Ключевые слова: microgrid, распределенные источники энергии, инверторный преобразователь, устройство защиты, интеллектуальное электронное устройство, островной режим, ограничитель токов короткого замыкания, система накопления электроэнергии.

Review of methods for addressing challenging issues in the operation of protection devices in microgrids with voltage up to 1 kV that integrate distributed energy resources
D.Sc. Ilyushin P.V.,
Energy Research Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia,
Volnyi V.S.,
National Research University «MPEI», Moscow, Russia.

Abstract: with the large-scale integration of distributed energy resources (DER) into passive distribution networks with voltage up to 1 kV, they are being converted into microgrids. When the topology and operating conditions change, several challenging issues arise related to the functioning of the protection devices (PD) that are in operation. Most DERs, including renewable generators, are integrated into microgrids by means of inverters. In the event of short circuits (SC) within the microgrid, these DERs provide a fault current contribution of not more than 1.2-2.0Irated at the fault location. This makes it difficult to identify the fault location and to make a selective disconnection of the faulty element with conventional PDs. This article provides an overview of engineering solutions for improving conventional protection schemes that have been historically used in passive distribution networks, as well as for creating modern protection schemes based on innovative principles and new methods. The use of adaptive protections built on decentralized and centralized principles allows in most cases ensuring reliable protection of the microgrid. Modern intelligent electronic devices (IEDs), where protection functions are implemented, rank higher with respect to their technical perfection in terms of reliability, sensitivity, selectivity, and speed performance. The use of multi-agent systems in the implementation of modern protection schemes requires the availability of broadband communication channels, which hinders their use because of the high cost. The combined use of fault current limiters (FCL) and energy storage systems (ESS) allows for the reliable operation of microgrid protections. The use of modern PDs ensures reliable operation of DERs and power supply to consumers in the microgrid, both in the case of grid-connected and islanded operation modes. Since there is no unified concept of designing protection schemes for microgrids with DERs, the choice of specific approaches to the design of protection schemes should be based on the results of a comparative technical and economic analysis of different options.

Keywords: microgrid, distributed energy sources, inverter, protection device, intelligent electronic device, islanded mode, fault current limiter, energy storage system.

Совершенствование дистанционной защиты на основе СВИ для работы в условиях переходных процессов с учетом влияния дуги
д.т.н. Мокеев А.В.(1,2), Пискунов С.А.(1,2),
1) Северный (Арктический) Федеральный университет, 2) OOО «Инженерный центр «Энергосервис», г. Архангельск, Россия.

Аннотация: синхронизированные векторы (синхровекторы) тока и напряжения в отличие от обычных комплексных амплитуд являются функциями времени и потенциально могут обеспечить достоверную оценку параметров режима энергосистемы в условиях электромагнитных и электромеханических переходных процессов. Другое важное преимущество технологии синхронизированных векторных измерений (СВИ) связано с возможностью обмена синхровекторами токов и напряжений устройствами защиты различных подстанций (ПС), что позволяет реализовать распределенные системы защиты. На основе исследования синхровекторов тока и напряжения переходных процессов предложены алгоритмы дистанционной защиты (ДЗ), обеспечивающие достоверную оценку комплексного сопротивления линии в условиях электромагнитных и электромеханических переходных процессов, а также при наличии нелинейного переходного сопротивления дуги в месте короткого замыкания (КЗ).

Ключевые слова: синхронизированные векторные измерения (СВИ), алгоритм Фурье (АФ), оконное преобразование Фурье (ОПФ), электромеханические и электромагнитные переходные процессы, дистанционная защита (ДЗ), сопротивление дуги, определение места повреждения (ОМП).

Improvement of distance protection based on SPM under the conditions of transients with account of the arc effect
D.Sc. Mokeev A.V. (1,2), Piskunov S.A. (1,2),
1) Northern (Arctic) Federal University, 2) Engineering Center «Energoservice» LLC, Arkhangelsk, Russia.

Abstract: synchronized phasors (synchrophasors) of current and voltage, in contrast to conventional complex amplitudes, are functions of time and can potentially provide a correct assessment of the parameters of the power system mode under the conditions of electromagnetic and electromechanical transients. Another important advantage of the SPM technology is associated with the possibility of exchanging current and voltage synchrophasors with protection devices of various substations, which makes it possible to implement distributed protection systems. Based on the study of current and voltage synchrophasors of transients, distance protection algorithms are proposed that provide a reliable assessment of the line impedance under the conditions of electromagnetic and electromechanical transients, as well as in the presence of a non-linear arc transient resistance at the fault location.

Keywords: synchronized phasor measurements, Fourier Algorithm, short-time Fourier transform, electromechanical and electromagnetic transients, distance protection, arc resistance, fault location.

Сравнение архитектур искусственных нейронных сетей в задачах восстановления тока в цепях защит генератора
к.т.н. Литвинов И.И., к.т.н. Осинцев А.А.,
Новосибирский государственный технический университет, НГТУ, г. Новосибирск, Россия.

Аннотация: статья посвящена применению искусственных нейронных сетей для восстановления формы кривой вторичного тока насыщенного трансформатора тока. Такой подход позволяет релейной защите корректно функционировать в случае экстремальных переходных процессов в ее первичных и вторичных цепях. Применение искусственных нейронных сетей рассматривается на примере осциллограмм вторичных токов трансформаторов тока генератора, в первичной цепи которого возможны короткие замыкания с затухающей периодической и апериодической составляющей, а также случаи неправильной синхронизации, когда возможно длительное постоянство знака аварийного тока. Для получения набора данных о сигналах в токовых цепях защит генератора в его аварийных режимах было применено математическое моделирование в среде Simulink, где была сформирована модель блока генератор-трансформатор. С помощью этих данных проведено обучение искусственных нейронных сетей в среде Python. Проведен анализ искусственных нейронных сетей различной конфигурации, наиболее подходящих для решения поставленной задачи. Доказано, что для рассматриваемой модели первичной сети наименьшая погрешность при восстановлении искаженного сигнала тока достигается при использовании LSTM-сетей. При применении сети с CNN архитектурой не наблюдался эффект «перерегулирования».

Ключевые слова: генератор, трансформатор тока, восстановление вторичного тока, искусственная
нейронная сеть.

Comparison of artificial neural networks architectures in problems of current recovery in generator protection circuits
Ph.D. Litvinov I.I., Ph.D. Osintsev A.A.,
Novosibirsk State Technical University, NSTU, Novosibirsk, Russia.

Abstract: the article deals with the use of artificial neural networks to restore the waveform of the secondary current of a saturated current transformer. This approach allows relay protection to operate correctly in case of extreme transients in its primary and secondary circuits. The use of ANN is considered on the example of oscillograms of secondary currents of generator current transformers in various modes. These modes include faults with a damped AC and DC components, as well as cases of incorrect synchronization, when a long-term constancy of the sign of a fault current is possible.
To obtain a dataset on fault currents the mathematical modeling was applied in the Simulink software, where the model of the generator-transformer unit was formed. Using the data obtained this way, the ANN was trained in the Python software.
The analysis of artificial neural networks of various configurations was carried out, and the most suitable ANN for solving the task was LSTM-type network. When using a network with CNN architecture, the effect of «overshoot» was not observed.

Keywords: generator, current transformer, restoring the waveform of the secondary current, artificial neural network.

Устройство для организации вторичных цепей 6-35 кВ цифровой подстанции
к.т.н. Луконин А.В., к.т.н. Юров А.А., Воронов А.С., д.т.н. Дынькин Б.Е.
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия.

Аннотация: целью статьи является описание унифицированной комбинированной модели автоматизированной точки питания для организации цепей вторичной коммутации энергооборудования 6-35 кВ, которая совмещает функции релейной защиты, электромониторинга, диагностики состояния первичного оборудования, регистрации аварийных событий и локального управления коммутационными аппаратами при взаимодействии со смежными элементами цифровой энергетической сети. Поставленная цель достигается анализом существующих функциональных решений на рынке вторичного электроэнергетического оборудования, оптимизацией структуры модели устройства на основе выявленных в процессе эксплуатации недостатков существующих устройств с подобным функционалом и интеграцией в структуру дополнительных функциональных элементов. Наиболее важными и существенными результатами является концептуальное представление модели автоматизированной точки питания для организации цепей вторичной коммутации энергооборудования 6-35 кВ с возможностью увеличения функциональных характеристик, использование инновационных решений для построения защиты и мониторинга оборудования, общий подход к реализации функциональных модулей оборудования различных производителей для реализации комбинированной системы автоматизированной точки питания. Значимость результатов состоит в снижении капитальных затрат при применении унифицированной автоматизированной точки питания за счет уменьшения количества монтажно-наладочных работ и оперативных расходов в связи с возможностью удаленного управления и контроля состояния первичного оборудования; применение новых подходов к построению диагностических систем позволит реализовать алгоритмы предиктивного анализа первичного оборудования и корректировать график ремонта; уменьшение количества внешних связей между элементами функциональной схемы узла питания увеличит надежность системы в целом; унификация схемного решения позволит разработать общие методические рекомендации по настройке и техническому обслуживанию устройств; применение типового модульного устройства позволит создать унифицированный набор запасных частей.

Ключевые слова: цифровая сетевая компания, автоматизированная точка питания, модуль автоматического управления коммутационными аппаратами, модуль релейной защиты, модуль энергомониторинга, модуль диагностики, сети напряжения 6-35 кВ, интеллектуальные платформы.

Device for organizing secondary circuits 6-35 kV digital substation
Ph.D. Lukonin A.V., Ph.D. Yurov A.A., Voronov A.S., D.Sc. Dynkin B.E.,
Don State Technical University, Rostov-na-Donu, Russia.

Abstract: the purpose of the article is to create a unified combined model of a automated supply point for the organization of secondary switching circuits of 6-35 kV primary power equipment. It combines relay protection functions, electrical monitoring, diagnostics of the state of primary equipment, registration of emergency events and local control of switching devices. It organizes chains of interaction with adjacent equipment of the digital energy network. The goal is achieved by analyzing the existing functional solutions, optimizing the structure of the device model based on the shortcomings of existing devices with similar functionality and integrating additional functional elements into the structure. The most important results are the conceptual representation of the automated supply point model for the organization of secondary switching circuits of 6-35 kV primary power equipment with the possibility of increasing functional characteristics, the use of innovative solutions for building protection and monitoring equipment, a common approach to the realization of functional modules of automated supply point from various manufacturers. The significance of the results are reduce capital costs with unified automated supply point by reducing the number of installation works and operational costs by increasing information and control links; implementation of algorithms for predictive analysis of the primary power equipment to adjust the repair schedule; increase the reliability of the system with power supply unit; the unification of the general guidelines for the setup and maintenance of devices.

Keywords: digital power company, automated supply point, automatic control module of switching devices, relay protection module, module energy monitoring, diagnostic module.

Количественный анализ влияния компьютерных атак на надежность функционирования ИЭУ РЗА цифровой подстанции
к.т.н. Карантаев В.Г. (1,2), Карпенко В.И. (1),
1) Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2) ГК «Астра», г. Москва, Россия.

Аннотация: статья направлена на изучение проблемы оценки надежности подсистемы релейной защиты и автоматики (РЗА) цифровой подстанции (ЦПС) с учетом существования угроз безопасности информации. Основное внимание уделено разработке математической модели оценки показателей надежности интеллектуального электронного устройства (ИЭУ) РЗА с учетом проведения в отношении него компьютерных атак.

Ключевые слова: информационная безопасность, кибербезопасность, надежность, ИЭУ РЗА, цифровая подстанция.

Quantitative analysis of the impact of computer attacks on the reliability of the functioning of the IED RPA of a digital substation
Ph.D. Karantaev V.G. (1,2), Karpenko V.I.(1),
1) National Research University «MPEI», 2) Group of companies «Astra», Moscow, Russia.

Abstract: the article is aimed at studying the problem of assessing the reliability of the RPA subsystem of a digital substation, taking into account the existence of threats to information security. The main attention is paid to the development of a math model for assessing the reliability indicators of the IED RPA, taking into account computer attacks against it.

Keywords: information security, cybersecurity, reliability, IED, digital substation.

Разработка программного компонента АЧР среды вычислительного комплекса PSCAD
к.т.н. Гиеев Б.М., Ибрагимов Б.Ф,
Таджикский технический университет имени академика М.С. Осими, г. Душанбе, Таджикистан.

Аннотация: очень важным в области современной электроэнергетики является моделирование, имитация, анализ и оптимизация процессов в системах и сетях, требующие обработки больших объемов данных с целью достижения высокой технической эффективности, а также с последующим отображением результатов пользователю. Вычислительные комплексы в основном разрабатываются по общим принципам и содержат общепринятые компоненты. Почти во всех вычислительных комплексах, в том числе ведущих, отсутствуют компоненты и функции некоторых устройств. Одним из них является устройство автоматической частотной разгрузки (АЧР), которое ни в одном из ведущих вычислительных комплексов не предусмотрено как отдельный компонент. В данной статье был сделан шаг по заполнению этого пробела. Предлагается разработка программного компонента АЧР в среде вычислительного комплекса PSCAD. Компонент разработан с учетом всех действующих нормативных требований по установке и настройке автоматики ограничения снижения частоты.

Ключевые слова: программный комплекс, анализ, разработка, собственный компонент, автоматическое ограничение снижения частоты, автоматическая частотная разгрузка.

Development of programm component of ufls in the PSCAD software complex
Ph.D. Giyoev B.M., Ibragimov B.F.,
Tajik technical university named after academician M.S.Osimi, Dushanbe, Tajikistan.

Abstract: one of the most important tasks in the field of modern electric power industry is the task of modeling, simulating, analyzing and optimizing processes in systems and networks, which requires the processing of large amounts of data in order to achieve high technical efficiency, as well as with the subsequent display of the results to the user. Computing systems are mainly developed according to general principles and contain generally accepted components. Almost all computer systems, including the leading ones, lack the components and functions of some devices. The automatic frequency unloading device (AFU) is one of these devices, which is not provided as a separate component in any of the leading computer systems. In this article, a step has been taken to fill this gap. It is proposed to develop a software component of the automatic frequency unloading in the environment of the PSCAD computer complex. The component is designed to meet all current regulatory requirements for the installation and configuration of automatic frequency reduction limitation.

Keywords: software package, analysis, development, own component, automatic frequency reduction limitation, automatic frequency unloading.

Проверка оборудования подстанций первичным током
к.т.н. Александров Н.М., Зарубин Д.В.,
ООО «НПП «Динамика», г. Чебоксары, Россия.

Аннотация: в статье рассматриваются особенности проверки первичным током автоматических выключателей, трансформаторов тока, систем релейной защиты и автоматики (РЗА), реклоузеров и прочего электрооборудования, а также достоинства и нюансы тестирования оборудования первичным током и применения вторичных токов и напряжений, в случаях, когда это возможно. Приведен обзор приборов, позволяющих проводить тестирование оборудования током большой величины.

Ключевые слова: автоматический выключатель, трансформатор, тестирование, прогрузка.

Здесь Вы можете подписаться на новости рекламно-издательского центра «Содействие развитию релейной защиты, автоматики и управления в электроэнергетике».
При публикации новостей на Вашу электронную почту
будут приходить письма с уведомлением.

Чтобы подписаться на новости, заполните, пожалуйста, все поля: