СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ С АДАПТАЦИЕЙ К ТЯГОВОМУ РЕЖИМУ КОНТАКТНОЙ СЕТИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

COMPARATIVE ANALYSIS OF REMOTE PROTECTION ALGORITHMS WITH ADAPTATION TO THE TRACTION MODE OF THE CONTACT NETWORK OF THE DC TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

Yermek Khusainov

Postgraduate student of the department "Electricity supply of railway transport", Omsk State University of Railway Transport,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

В статье приведен сравнительный анализ алгоритмов дистанционной защиты с адаптацией к тяговому режиму контактной сети постоянного тока. Рассмотрены алгоритмы ранее установленных комплектов защит ЗДА-3,3 кВ и усовершенствованного алгоритма для использования в составе современных микропроцессорных терминалах защит. Определено, что усовершенствованный алгоритм защиты точнее адаптирует уставку к тяговому режиму.

ABSTRACT

The article presents a comparative analysis of remote protection algorithms with adaptation to the traction mode of the DC contact network. The algorithms of previously installed ZDA-3.3 kV protection kits and an improved algorithm for use in modern microprocessor protection terminals are considered. It is determined that the improved protection algorithm more precisely adapts the setpoint to the traction mode.

Ключевые слова: дистанционная защита, адаптация к тяговому режиму, контактная сеть, тяговая подстанция.

Keywords: remote protection, adaptation to traction mode, contact network, traction substation.

В границах Западно – Сибирской железной дороги эксплуатировались единичные комплекты защит контактной сети типов ЗДА-3,3 кВ. Основной материал по вопросу принципа построения и опыта использования дистанционной защиты с адаптацией (ДЗА) изложен в [1, 2]. Основной защитой являлась дистанционная защита с функцией адаптации уставки к предшествующему току нагрузки электроподвижного состава (ЭПС). Суть принципа адаптации заключается в измерении защитой напряжения на шинах тяговой подстанции и тока, протекающего по присоединению контактной сети, с целью вычисления сопротивления цепи плюсовая шина – питающая линия – контактная сеть – ЭПС – рельсовая цепь – отсос – реактор – минусовая шина. Защита обеспечивает сравнение вычисленного значения с заданной уставкой срабатывания. Относительно медленное изменение значения вычисленного сопротивления – основной критерий распознавания защитой тягового режима ЭПС. Все установленные ранее комплекты защит в настоящее время выведены из работы по причине выхода из строя и отсутствия запасных частей. Эксплуатация комплектов защит имела положительный эффект в отношении уменьшения числа излишних отключений от действия максимальных рабочих токов ЭПС.

На основе анализа принципов, заложенных в предшествующие комплекты защит, усовершенствован алгоритм адаптации защиты для реализации в составе современных микропроцессорных терминалах защит [3].

Для оценки работы ДЗА было изменено программное обеспечение устройства контроля тока и напряжения постоянного тока УКТН-3,3 кВ производства ООО ПКЦ «БИТ СОФТ» [4]. Программное обеспечение изменено таким образом, что полностью реализован усовершенствованный алгоритм ДЗА, приведенный в [3]. Измерительные цепи тока и напряжения устройства были подключены параллельно действующим защитам контактной сети. Устройство выполняло только измерительные функции без формирования команд управления быстродействующим выключателем. Информацией, получаемой на выходе УКТН-3,3 кВ, являлись: ток; напряжение; сопротивление, измеряемое защитой и уставка ДЗА. Дискретность измерений – одна секунда. Для удобства анализа выходной информации рассмотрен только процесс непосредственного нарастания тока до максимального значения во временном интервале с 800 с по 1250 с. Уставка дистанционной защиты – 1,15 Ом. Коэффициент адаптации принят 1,2. Максимальное значение тока нагрузки для данного присоединения контактной сети принято 3500 А. Процесс нарастания тока и адаптация уставки ДЗА приведены на рисунке 1.

Проведен сравнительный анализа точности предлагаемого усовершенствованного алгоритма ДЗА и принципа, заложенного в предыдущих разработках дистанционной защиты с адаптацией, на примере защиты ЗДА-3,3 кВ. Коэффициент адаптации, как и для ДЗА выбран 1,2. На основании уже полученного процесса нарастания тока построена кривая адаптации уставки дистанционной защиты ЗДА-3,3 кВ.

Процесс нарастания тока, изображенный на рисунке 1, а на интервале времени от 800 до 1100 с не вызывает каких-либо изменений уставки ДЗА. Её значение устойчиво. В отличие от уставки ЗДА-3,3 кВ, которая при появлении какого-либо тока нагрузки адаптируется к этому значению, что является крайне нежелательным режимом, так как для снижения негативного влияния на надежность защит процесс адаптации должен иметь как можно меньшую продолжительность. Существенным преимуществом усовершенствованного алгоритма ДЗА является то, что только при достижении тока нагрузки 90 % от максимального для этого присоединения, при принятом значении коэффициента k_min = 0,9, значение уставки начинает снижаться, адаптируюсь тем самым к току нагрузки. Укрупненный фрагмент процесса адаптации уставки ДЗА к току нагрузки приведен на рисунке 1, б. На рисунке также присутствует процесс (с 1160 секунды) увеличения уставки ДЗА, т.е. возврата к первоначальному неадаптированному значению.

а

б

Рисунок 1. Процесс нарастания тока, измеряемого защитой (а), и увеличенный фрагмент адаптации уставки ДЗА (б)

Сравнительный анализ точности предложенного усовершенствованного алгоритма ДЗА и принципа защиты ЗДА-3,3 кВ выполняется на основании следующих критериев:

– средняя квадратичная погрешность RMSE (root mean squared error):

,                                                        (1)

где   n – объем выборки;

R_изм – сопротивление, измеренное защитой, Ом;

R_адап – сопротивление, адаптированное к тяговой нагрузке, Ом;

– средняя относительная погрешность MAPE (mean absolute percentage error):

.                                                  (2)

– коэффициент вариации CV (coefficient of variation):

,                                                                    (3)

где – среднее арифметическое значение сопротивления, измеренное защитой, при проведении экспериментального исследования, Ом.

Результаты сравнения точности предложенного усовершенствованного алгоритма ДЗА и принципа защиты ЗДА-3,3 кВ представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты сравнения точности предложенного усовершенствованного алгоритма ДЗА и принципа защиты ЗДА-3,3 кВ

На основании полученных результатов можно сделать выводы:

– усовершенствованный алгоритм ДЗА точнее адаптирует значение уставки по отношению к сопротивлению, измеряемого защитой;

– продолжительность процесса адаптации уставки ДЗА значительно меньше по сравнению с ЗДА-3,3 кВ, тем самым снижая негативное влияние на надежность защит контактной сети постоянного тока;

– применение усовершенствованного метода позволит уменьшить число отключений быстродействующих выключателей тяговых подстанций, тем самым повысить надежность системы тягового электроснабжения постоянного тока.

Список литературы:

1. Концепция построения защиты тяговой сети постоянного тока // ВНИИЖТ МПС.1995. – 30 с.
2. Техническое описание. Защита дистанционная адаптивная контактной сети (ЗДА-3,3 кВ). 1988. – 3 с.
3. Хусаинов Е. К. Алгоритм реализации дистанционной защиты с адаптацией к тяговой нагрузке // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы научной конференции / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 2020. – С. 342– 351.
4. Руководство по эксплуатации Мс141.00.00 РЭ. Устройство контроля тока и напряжения постоянного тока УКТН-3,3 кВ / Новосибирск, ООО ПКЦ «БИТ СОФТ, 2020. – 7 с.