energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2016-59-3-203-224energy-1007Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGКОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРАA COMPREHENSIVE MODEL FOR THE POWER TRANSFORMER DIGITAL DIFFERENTIAL PROTECTION FUNCTIONING RESEARCHРумянцевЮ. В.RumiantsevYu. V.

Адрес для переписки: Румянцев Юрий В. — Белорусский национальный технический университет просп. Независимости, 65/2, 220013, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 292-65-52  y.rumiantsev@gmail.com

Address for correspondence: Rumiantsev Yury V. — Belаrusian National Technical University 65/2 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 292-65-52  y.rumiantsev@gmail.com

y.rumiantsev@gmail.comБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201626052016593203224Copyright © Румянцев Ю.В., 20162016Румянцев Ю.В.Rumiantsev Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/1007

В статье представлена комплексная модель для исследования цифровой дифференциальной защиты двухобмоточного силового трансформатора. Модель разработана в среде динамического моделирования MatLab-Simulink с использованием пакета расширения SimPowerSystems и включает в себя следующие элементы: источник питания, трехфазный силовой трансформатор, трехфазные группы трансформаторов тока и модель цифровой дифференциальной защиты трансформатора. Каждый элемент модели описан в степени, достаточной для понимания его реализации в среде динамического моделирования. Особое внимание уделено описанию принципов обработки, цифровой фильтрации и способам формирования рабочего и тормозного токов основного элемента комплексной модели – цифровой дифференциальной защиты трансформатора. Методом вычислительного эксперимента с использованием разработанной модели исследовано функционирование цифровой дифференциальной защиты трансформатора при внешних и внутренних (по отношению к защищаемому трансформатору) повреждениях: внутреннее короткое замыкание, внешние короткие замыкания без насыщения и с насыщением трансформаторов тока со стороны низшего напряжения. Для каждого рассмотренного случая приведены осциллограммы рабочего и тормозного токов исследуемой цифровой защиты. Особое внимание уделено анализу функционирования цифровой дифференциальной защиты трансформатора при анормальных режимах работы силового трансформатора: перевозбуждении и возникновении броска тока намагничивания. Приведены осциллограммы протекающих в данных режимах токов и их гармонический состав. Проанализированы причины возникновения данных режимов. Рассмотрены алгоритмы блокирования работы цифровой дифференциальной защиты трансформатора в анормальных режимах, основанные на гармоническом анализе протекающих токов. Показаны недостатки данных алгоритмов и отмечена необходимость их технического совершенствования.

This article presents a comprehensive model for the two-winding power transformer digital differential protection functioning research. Considered comprehensive model is developed in MatLab-Simulink dynamic simulation environment with the help of SimPowerSystems component library and includes the following elements: power supply, three-phase power transformer, wye-connected current transformers and two-winding power transformer digital differential protection model. Each element of the presented model is described in the degree sufficient for its implementation in the dynamic simulation environment. Particular attention is paid to the digital signal processing principles and to the ways of differential and restraining currents forming of the considered comprehensive model main element – power transformer digital differential protection. With the help of this model the power transformer digital differential protection functioning was researched during internal and external faults: internal short-circuit, external short-circuit with and without current transformers saturation on the power transformer low-voltage side. Each experiment is illustrated with differential and restraining currents waveforms of the digital differential protection under research. Particular attention was paid to the digital protection functioning analysis during power transformer abnormal modes: overexcitation and inrush current condition. Typical current waveforms during these modes were showed and their harmonic content was investigated. The causes of these modes were analyzed in details. Digital differential protection blocking algorithms based on the harmonic content were considered. Drawbacks of theses algorithms were observed and the need of their further technical improvement was marked.

моделированиерелейная защитатрансформатор токацифровая дифференциальная защита трансформаторацифровая обработка сигналовSimulinkMatLabSimPowerSystemssimulationrelay protectioncurrent transformertransformer digital differential protectiondigital signal processingSimulinkMatLabSimPowerSystemsReferencesSim Power Systems. User’s Guide. Version 5 [Electronic Resource] // MathWorks, 2011. Mode of Access: http://www.mathworks.com/help/releases/R2011a/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf. Date of Access: 01. 12. 2015.Sim Power Systems. User’s Guide. Version 5. The MathWorks (2011). Available at: http://www.mathworks.com/help/releases/R2011a/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf. (accessed: 01December 2015).Румянцев, Ю. В. Исследование надежности срабатывания цифровой дифференциальной защиты трансформатора в системе динамического моделирования MatLab-Simulink / Ю. В. Румянцев // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Минск, 2015. Вып. 66: Актуальные проблемы надежности систем энергетики. С. 390–396.Rumiantsev Yu. V. (2015) The study of reliability of operation of the digital differential protection of the transformer with the aid of the dynamic system modeling MatLab-Simulink. The methodic problems of the reliability of large systems of power production. Issue 66. Actual problems of reliability of energy systems, 390—396 (In Russian).Новаш, И. В. Расчет параметров модели трехфазного трансформатора из библиотеки MatLab-Simulink с учетом насыщения магнитопровода / И. В. Новаш, Ю. В. Румянцев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2015. № 1. С. 12–24.Novash I.V., Rumiantsev Yu. V. (2015) Calculation of model parameters of the three-phase transformer from the library of MatLab-Simulink taking into account the saturation of the magnetic conductor. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii I Energeticheskikh Obedinenii SNG [Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc.], (1), 12–24 (in Russian).Королев, Е. П. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты / Е. П. Королев, Э. М. Либерзон. М.: Энергия, 1980. 207 с.Koroliev Ye. P., Liberzon E. M. (1980) Calculations of the allowable loads in the current circuits of relay protection. Moscow, Energiya. 207 (in Russian).Романюк, Ф. А. Информационное обеспечение вычислительного эксперимента в релейной защите и автоматике энергосистем / Ф. А. Романюк, В. И. Новаш. Минск: ВУЗ-ЮНИТИ, 1998. 174 с.Romanyuk F. A., Novash V. I. (1998) Information support of computing experiment in relay protection and automatics of power production systems. Minsk, VUZ-UNITI. 174 (in Russian).Новаш, И. В. Упрощенная модель трехфазной группы трансформаторов тока в системе динамического оделирования / И. В. Новаш, Ю. В. Румянцев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2015. № 5. С. 23–38.Novash I. V., Rumiantsev Yu. V. (2015) A simplified model of three-phase group of voltage transformers in the system of dynamic modeling. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Obedinenii SNG [Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc.], (5), 23–38 (in Russian).Wye-Connected Current Transformers Simplified Model Validation in MatLab-Simulink / F. Romanyuk [et al.] // Przegląd Electrotechniczny. 2015. Vol. 91, № 11. P. 292–295.Romanyuk F. A., Novash I., Rumiantsev Y., W?gierek P. (2015) Wye-Connected Current Transformers Simplified Model Validation in MatLab-Simulink. Przegl?d Electrotechniczny, 91 (11), 292–295. DOI: 10.15199/48.2015.11.67Ziegler, G. Numerical Differential Protection: Principles and Applications / G. Ziegler. 2 edition. Erlangen, Germany: Publicis Publishing, 2012. 287 р.Ziegler G. (2012) Numerical Differential Protection: Principles and Applications. 2 ed. Erlangen, Germany, Publicis Publishing. 287.IEEE Guide for Protecting Power Transformers: IEEE Standard. C 37.91-2008.IEEE Standard C 37.91-2008. IEEE Guide for Protecting Power Transformers.Benmouyal, G. Removal of DC-Offset in Current Waveforms Using Digital Mimic Filtering / G. Benmouyal // IEEE Transactions on Power Delivery. 1995. Vol. 10, No 2. P. 621–630.Benmouyal G. (1995) Removal of DC-Offset in Current Waveforms Using Digital Mimic Filtering. IEEE Transactions on Power Delivery, 10 (2), 621–630. DOI: 10.1109/61.400869Перспективные технологии реализации микропроцессорных защит линий распредели-Romanyuk F. A., Novash I. V., Rumiantsev V. Iu., Rumiantsev Iu. V. (2015) A promising implementation technologies of microprocessor-based distribution network protection. Klubovich V. V. (ed.) Prospective materials and technologies.Vol. 1. Vitebsk: VSTU, 115–139 (in Russian).тельных сетей / Ф. А. Романюк [и др.] // Перспективные материалы и технологии: в 2 т. / под ред. В. В. Клубовича. Витебск: ВГТУ, 2015. T. 1. С. 115–139.Paithankar Y. G., Bhide S. R. (2003) Fundamentals of Power System Protection. New Delhi, Prentice-Hall of India Private Limited. 287.Paithankar, Y. G. Fundamentals of Power System Protection / Y. G. Paithankar, S. R. Bhide. New Delhi: Prentice-Hall of lndia Private Limited, 2003. 287 p.Madzikanda E. A., Negnevitsky M. (2012) Practical Look at Harmonics in Power Transformer Differential Protection. 2012 IEEE International Conference on Power System Technology. POWERCON 2012. Auckland, New Zealand. Article number 6401274. DOI: 10.1109/PowerCon.2012.6401274Madzikanda, E. A Practical Look at Harmonics in Power Transformer Differential Protection / E. Madzikanda, M. Negnevitsky // 2012 IEEE International Conference on Power System Technology. POWERCON 2012. Auckland, New Zealand. Article number 6401274.Romanyuk F. A., Loman M. S., Gvozditskiy A. C. (2014) The study of algorithm of locking current protection of transformer in the modes of the magnetizing current surge. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Obedinenii SNG [Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc.], (2), 5–10 (in Russian).Романюк, Ф. А. Исследование алгоритма блокировки токовых защит трансформатора в режимах броска тока намагничивания / Ф. А. Романюк, М. С. Ломан, А. С. Гвоздицкий // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2014. № 2. С. 5–10.Kulidjian A., Kasztenny B., Campbell B. (2001) New Magnetizing Inrush Restraining Algorithm for Power Transformer Protection. IEEE Developments in Power Sys. Protec. Conf., 181–184.Kulidjian, A. New Magnetizing Inrush Restraining Algorithm for Power Transformer Protection / A. Kulidjian, B. Kasztenny, B. Campbell // IEEE Developments in Power Sys. Protec. Conf. 2001. P. 181–184.Guzman A., Altuve H., Tziouvaras D. (2005) Power Transformer Protection Improvements with Numerical Relays. CIGRE Study Committee B5 – Protection and Automation. Vol. 11.Guzman, A. Power Transformer Protection Improvements with Numerical Relays / A. Guzman, H. Altuve, D. Tziouvaras // CIGRE Study Committee B5 – Protection and Automation. 2005. Vol. 11.Guzman, A. Power Transformer Protection Improvements with Numerical Relays / A. Guzman, H. Altuve, D. Tziouvaras // CIGRE Study Committee B5 – Protection and Automation. 2005. Vol. 11.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.