Исследование погрешностей цифрового измерительного тракта цифровой подстанции на основе МЭК 61850: имитационное моделирование в MATLAB/Simulink и сравнение с аналитическими расчётами

Содержание

Введение

Глава 1. Принципы функционирования и нормативное регулирование цифровых систем РЗА

1.1. Архитектура цифрового измерительного тракта и внедрение информационного протокола МЭК 61850 в практику ЕЭС России

1.2. Нормативные требования АО «СО ЕЭС» и ПАО «Россети» к точности измерений и надежности обмена данными на ПС

Глава 2. Моделирование и инструментальный анализ погрешностей измерительного тракта

2.1. Декомпозиция математической модели измерительного преобразования в программной среде MATLAB/Simulink

2.2. Оценка влияния инструментальных и вычислительных факторов на точность передачи векторов тока и напряжения

Глава 3. Оценка влияния погрешностей на селективность защит и практические рекомендации

3.1. Сопоставительный анализ аналитических расчетов и результатов имитационного моделирования цифрового тракта

3.2. Формирование предложений по оптимизации алгоритмов фильтрации и выбора коэффициентов чувствительности РЗА в цифровых сетях

Заключение

Список использованной литературы

КУРСОВАЯ РАБОТА

Исследование погрешностей цифрового измерительного тракта цифровой подстанции на основе МЭК 61850: имитационное моделирование в MATLAB/Simulink и сравнение с аналитическими расчетами

ВВЕДЕНИЕ

Цифровая трансформация электроэнергетических систем России стала приоритетным направлением развития единой энергетической системы страны в контексте реализации «Концепции цифровой трансформации электроэнергетики Российской Федерации» и внедрения стандарта МЭК 61850. Переход от традиционных аналоговых систем релейной защиты и автоматики к цифровым измерительным трактам на основе интеллектуальных электронных устройств существенно повышает скорость и точность передачи информации, однако порождает новые источники погрешностей, связанные с процессами дискретизации, квантования, временной синхронизации и сетевыми задержками в протоколе обмена данными. Обеспечение метрологической надежности цифрового измерительного тракта критически важно для селективности функционирования микропроцессорных терминалов релейной защиты, дифференциальной и дистанционной защиты линий электропередачи напряжением 110-500 кВ, эксплуатируемых в ЕЭС России под управлением АО «СО ЕЭС» и ПАО «Россети».

Актуальность исследования определяется необходимостью количественной оценки влияния инструментальных и вычислительных погрешностей цифрового тракта на точность векторного представления первичных токов и напряжений, передаваемых по сетям станционной шины процесса согласно МЭК 61850-9-2. Современные нормативные требования АО «СО ЕЭС» устанавливают жесткие пределы допустимых погрешностей преобразования для обеспечения чувствительности защит не ниже 1,5 при повреждениях в зоне резервирования. Несоответствие фактических метрологических характеристик измерительного тракта расчетным значениям приводит к отказам срабатывания или излишним срабатываниям защит, что документируется в статистике АО «СО ЕЭС» и требует углубленного анализа.

Степень разработанности проблемы в отечественной литературе характеризуется наличием фундаментальных работ научных школ НИУ «МЭИ», ФГУП «ВНИИЭ» и АО «РАДИУС Автоматика» по теории цифровой обработки сигналов в релейной защите, однако комплексные исследования, сопоставляющие результаты имитационного моделирования в программной среде MATLAB/Simulink с аналитическими расчетами погрешностей на основе вероятностных методов, представлены ограниченно.

Цель курсовой работы – комплексный анализ погрешностей цифрового измерительного тракта цифровой подстанции, реализованного по стандарту МЭК 61850, путем имитационного моделирования в MATLAB/Simulink и сопоставления с аналитическими расчетами.

Задачи исследования:

• изучить архитектуру цифрового измерительного тракта и требования протокола МЭК 61850 к точности преобразования и передачи данных;
• проанализировать нормативную базу АО «СО ЕЭС» и ПАО «Россети» по метрологическому обеспечению цифровых систем РЗА;
• разработать математическую модель измерительного тракта с декомпозицией источников погрешностей в среде MATLAB/Simulink;
• выполнить аналитические расчеты инструментальных и вычислительных погрешностей преобразования сигналов тока и напряжения;
• сформировать рекомендации по оптимизации алгоритмов цифровой фильтрации и коррекции уставок РЗА.

Объект исследования – цифровой измерительный тракт подстанции 110-220 кВ, реализованный на основе стандарта МЭК 61850.

Предмет исследования – метрологические характеристики и источники погрешностей цифрового преобразования сигналов первичных токов и напряжений.

Методологическая база включает теоретические основы цифровой обработки сигналов, численные методы анализа динамических систем, имитационное моделирование в MATLAB/Simulink, аналитические методы расчета погрешностей измерительных преобразований, а также нормативно-техническую документацию: ПУЭ 7-е издание, СО 153-34.10.127-34 «Руководящие указания по релейной защите», ГОСТ Р 58669-2019, стандарт МЭК 61850-9-2, регламенты АО «СО ЕЭС» и ПАО «Россети».

Научная новизна заключается в комплексном сопоставлении результатов имитационного моделирования цифрового тракта с аналитическими расчетами погрешностей, выполненном применительно к условиям эксплуатации цифровых подстанций ЕЭС России.

Теоретическая значимость определяется систематизацией источников погрешностей цифрового измерительного тракта и обоснованием математических моделей для их количественной оценки.

Практическая значимость состоит в разработке инженерных рекомендаций по выбору параметров цифровой фильтрации и корректировке коэффициентов чувствительности защит, применимых для повышения надежности функционирования микропроцессорных терминалов РЗА на действующих подстанциях ПАО «Россети».

Структура работы: введение, три главы основного содержания, заключение, список использованной литературы.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И НОРМАТИВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ РЗА

1.1. Архитектура цифрового измерительного тракта и внедрение информационного протокола МЭК 61850 в практику ЕЭС России

Цифровой измерительный тракт современной подстанции представляет собой сложную киберфизическую систему, обеспечивающую преобразование первичных аналоговых величин токов и напряжений в цифровые потоки данных, передаваемые интеллектуальным электронным устройствам релейной защиты и автоматики для последующей обработки и формирования управляющих воздействий на коммутационные аппараты. Архитектура тракта строится на основе международного стандарта МЭК 61850, который регламентирует унифицированные интерфейсы обмена информацией, протоколы связи и объектные модели данных [1, c. 23]. Внедрение цифровых технологий в ЕЭС России началось в 2010-х годах в рамках пилотных проектов ПАО «Россети» и ФСК ЕЭС на подстанциях напряжением 110-500 кВ, что сопровождалось постепенным отказом от традиционных трансформаторов тока и напряжения с медными вторичными обмотками в пользу цифровых измерительных трансформаторов.

Функциональная структура цифрового измерительного

…