energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2018-61-6-483-493energy-1404Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGЦифровой измерительный орган тока для функционирования в условиях глубокого насыщения трансформатора токаDigital Current Measurement Element for Operation During Current Transformer Severe SaturationРумянцевЮ. B.RumiantsevYu. V.РоманюкФ. А.RomaniukF. A.

Адрес для переписки: Романюк Федор Алексеевич – Белорусский национальный технический университет, 220013, г. Минск. Тел.: +375 17 331-00-51    faromanuk@bntu.by

Address for correspondence: Romaniuk Fiodar A. –  Belаrusian National Technical University, 65/2 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus. Tel.: +375 17 331-00-51    faromanuk@bntu.by

 

faromanuk@bntu.byРумянцевВ. Ю.RumiantsevV. Yu.НовашИ. В.NovashI. V.Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201811122018616483493Copyright © Румянцев Ю.B., Романюк Ф.А., Румянцев В.Ю., Новаш И.В., 20182018Румянцев Ю.B., Романюк Ф.А., Румянцев В.Ю., Новаш И.В.Rumiantsev Y.V., Romaniuk F.A., Rumiantsev V.Y., Novash I.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/1404

Рассмотрены построение и реализация цифрового измерительного органа тока микропроцессорной защиты, способного функционировать в условиях глубокого насыщения стали магнитопровода трансформатора тока. В переходных режимах работы трансформатора тока линейность трансформации первичного тока во вторичный существенно нарушается. При этом вторичный ток трансформатора тока, который является входным сигналом для измерительных органов микропроцессорных защит, отличается от идеально трансформированного как по форме, так и по величине. Это приводит к тому, что время установления сигнала на выходе стандартного цифрового измерительного органа тока затягивается до недопустимых значений. В результате нарушаются основные требования к устройствам защиты, такие как быстродействие и надежность, что в ряде случаев делает быстродействующую защиту электрооборудования малоэффективной. Для решения этой проблемы предлагается формировать выходной сигнал цифрового измерительного органа тока в зависимости от величины коэффициента нелинейных искажений, которым определяется степень насыщения трансформатора тока. Причем целесообразно формировать выходной сигнал так, чтобы при малой степени насыщения трансформатора тока он незначительно отличался от действующего значения контролируемого сигнала, а при глубокой степени насыщения превышал данное значение. Модель цифрового измерительного органа тока разработана в среде моделирования MatLab-Simulink. Основу модели составляют блоки, реализующие: цифровой фильтр, предназначенный для вычисления значения амплитуды основной гармоники контролируемого сигнала; цифровой фильтр действующего значения контролируемого сигнала, а также типовые математические блоки, необходимые для формирования алгоритма функционирования предлагаемого цифрового измерительного органа тока. Проверка работоспособности модели цифрового измерительного органа тока проводилась входным воздействием, близким по форме к искаженному вследствие насыщения стали магнитопровода вторичному току трансформатора тока. Проведенные исследования показали, что предложенный цифровой измерительный орган тока по сравнению со стандартным обеспечивает стабильную работоспособность и повышенное быстродействие в переходных режимах.

The development and implementation of a digital current measurement element for proper operation during current transformer (CT) magnetic core severe saturation are considered. CT transient performance is often accompanied by primary current transformation to secondary one with great errors. In this case the secondary CT current which is an input signal of the digital measurement element differs from the ideally transformed CT current both in shape and magnitude. This causes impermissible signal settling time at the standard digital measurement element output. As a result, main requirements to the protection devices such as reliability and fast operation are violated, that in some cases makes the high-speed protection device ineffective. To solve this problem, it is proposed to form the output signal of the digital current measurement element in depending on the input signal total harmonic distortion (THD) coefficient value. Moreover, it is worthwhile to form the output signal so that for a low CT saturation conditions this output signal slightly differs from the secondary current RMS value, and for a severe CT saturation conditions it exceeds this value. Digital current measurement element model has been developed and implemented in the MatLab-Simulink environment using the following blocks: a digital filter block responsible for the input signal fundamental frequency component magnitude calculation; a digital filter block responsible for the input signal RMS value calculation; and, also, a standard blocks for basic mathematical calculations needed for proper functioning of the proposed measurement element. The functional testing of the proposed digital current measurement element model was carried out using the signal, that was similar in form to the waveform of the secondary current of the severe saturated CT. The tests that had been performed confirmed that the proposed digital current measurement element in comparison with the standard current measurement element ensures stable functioning and enhanced operation time during transients.

цифровой измерительный орган токатрансформатор токанасыщение магнитопроводацифровой фильтрдискретное преобразование ФурьеMatLabSimulinkSimPowerSystemsdigital current measurement elementcurrent transformercurrent transformer saturationdigital filterdiscrete Fourier transformMatLabSimulinkSimPowerSystemsReferencesБаглейбтер, А. И. Трансформатор тока в сетях релейной защиты. Противодействие насыщению ТТ апериодической составляющей тока КЗ / А. И. Баглейбтер // Новости электротехники. 2008. Т. 53, № 5.Bagleibter A. I. (2008) Current Transformer in Relay Protection Networks. Counteraction to ?T Saturation of Aperiodic Component of Short-Circuit Current. Novosti Elektrotekhniki [Electrical Engineering News], 53 (5) (in Russian).Cosse, R. E. CT Saturation Calculations – are they Applicable in the Modern World? Part I: The Question / R. E. Cosse, D. G. Dunn, R. M. Spiewak // IEEE Transactions on Industry Applications. 2005. Vol. 45. No 2. P. 444–452. https://doi.org/10.1109/tia.2006.890023.Cosse R. E., Dunn D. G., Spiewak R. M. (2005) CT Saturation Calculations: are they Applicable in the Modern World? Part I: The Question. IEEE Transactions on Industry Applications, 45 (2), 444–452. https://doi.org/10.1109/tia.2006.890023.Benmouyal, G. The Impact of High Fault Current and CT Rating Limits on Overcurrent Protection / G. Benmouyal, S. E. Zocholl // Proceedings of the 29th Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA. 2002.Benmouyal G., Zocholl S. E. (2002) The Impact of High Fault Current and CT Rating Limits on Overcurrent Protection. Proceedings of the 29th Annual Western Protective Relay Conference. Spokane, WA. 2002.Instantaneous Overcurrent Element for Heavily Saturated Current in a Power System: pat. US US6757146 B2 / G. Benmouyal, S. E. Zocholl, A. Guzman-Casillas. Publ. date 29.06.2004.Benmouyal G., Zocholl S. E., Guzman-Casillas A. (2004) Instantaneous Overcurrent Element for Heavily Saturated Current in a Power System. Pat. US US6757146 B2.Schweitzer, E. O. Filtering for Protective Relays / Е. О. Schweitzer, D. Hou // IEEE WESCANEX 93 Communications, Computers and Power in the Modern Environment – Conference Proceedings. Saskatoon, Canada. 1992. https://doi.org/10.1109/wescan.1993.270548.Schweitzer E. O., Hou D. (1992) Filtering for Protective Relays. IEEE WESCANEX 93 Communications, Computers and Power in the Modern Environment – Conference Proceedings. Saskatoon, Canada. 1992. https://doi.org/10.1109/wescan.1993.270548.Измерительный орган тока для функционирования в условиях глубокого насыщения магнитопровода трансформатора тока: пат. 20808 Респ. Беларусь МПК (2006.01) H 02H 3/08 / Ю. В. Румянцев, Ф. А. Романюк, В. Ю. Румянцев, И. В. Новаш; дата публ. 28.02.2017.Rumyantsev Yu. V., Romanyuk F. A., Rumyantsev V. Yu., Novash I. V. (2017) Measuring Current Body for Operation under Conditions of Deep Saturation of the Magnetic Circuit of the Current Transformer. Patent of the Republic of Belarus No 20808 (in Russian).SimPowerSystems. User’s Guide. Version 4 [Electronic resource] // The MathWorks. Mode of Access: http://www.mathworks.com/help/releases/R14sp2/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf. Date of Access: 01.12.2015.SimPowerSystems. User’s Guide. Version 4. The MathWorks. Available at: http://www.math works.com/help/releases/R14sp2/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf. (?ccessed 1 December 2015).Дэбни, Дж. Б. Simulink 4. Секреты мастерства / Дж. Б. Дэбни, Т. Л. Харман; пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. 403 с.Dabney J. B., Harman T. L. (2001) Mastering Simulink 4. Prentice Hall PTR. 432.Программно-информационное обеспечение комплексов для функциональных испытаний цифровых токовых защит электроустановок в системе динамического моделирования MatLab-Simulink / И. В. Новаш [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 4. С. 291–308. https://doi.org/10.21122/10297448-2017-60-4-291-308.Novash I. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev Yu. V., Rumiantsev V. Yu. (2017) MatLabSimulink Based Information Support for Digital Overcurrent Protection Test Sets. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edenenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Educational Institutions and Power Engineering Associations, 60 (4), 291–308 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-4-291-308.Реализация цифровых фильтров в микропроцессорных устройствах релейной защиты / Ю. В. Румянцев [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2016. Т. 59, № 5. С. 397–417. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-5-397-417.Rumiantsev Yu. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V. (2016) Digital Filters Implementation in Microprocessor-Based Relay Protection. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edenenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Educational Institutions and Power Engineering Associations, 59 (5), 397–417 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-5-397-417.Новаш, И. В. Упрощенная модель трехфазной группы трансформаторов тока в системе динамического моделирования / 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 Bank of Current Transformers in the Dynamic Simulation System. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edenenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Educational Institutions and Power Engineering Associations, (5), 23–38 (in Russian).

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