energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2021-64-3-191-201energy-2069Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGФормирование ортогональных составляющих входных токов в микропроцессорных защитах электроустановокFormation of Orthogonal Components of Input Currents in Microprocessor Protections of Electrical EquipmentРоманюкФ. А.RomaniukF. A.

Адрес для переписки: Романюк Федор Алексеевич - Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65/2, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 331-00-51faromanuk@bntu.by

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

faromanuk@bntu.byРумянцевЮ. В.RumiantsevYu. V.

г. Минск

Minsk

РумянцевВ. Ю.RumiantsevV. Yu.

г. Минск

Minsk

НовашИ. В.NovashI. V.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202104062021643191201Copyright © Романюк Ф.А., Румянцев Ю.В., Румянцев В.Ю., Новаш И.В., 20212021Романюк Ф.А., Румянцев Ю.В., Румянцев В.Ю., Новаш И.В.Romaniuk F.A., Rumiantsev Y.V., 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/2069

Используемые в микропроцессорных защитах электроустановок методы формирования ортогональных составляющих входных токов обеспечивают достоверное их выделение после изменения режима по истечении одного или нескольких периодов основной частоты. Это обусловлено инерционностью функциональных элементов, в частности цифровых частотных фильтров, а также насыщением стали магнитопроводов трансформаторов тока. Для повышения быстродействия выделения ортогональных составляющих входных токов предложено формировать их как эквивалентные по значениям косинусной и синусной составляющих, полученных с использованием цифровых фильтров Фурье, путем умножения на результирующий коэффициент. Разработанная методика определения указанного коэффициента обеспечивает компенсацию запаздывания, обусловленного инерционностью цифровых фильтров, а также насыщением стали магнитопроводов трансформаторов тока. Предложенный метод формирования ортогональных составляющих отличается высокой эффективностью в режимах сильного насыщения магнитопровода при сложном входном воздействии при наличии в нем апериодической составляющей с большой постоянной времени затухания. Оценка эффективности функционирования разработанного метода выполнялась с помощью комплексной цифровой модели, реализованной в среде динамического моделирования MatLab-Simulink. В результате исследований установлено, что при отсутствии насыщения магнитопровода трансформаторов тока, а также при незначительной и средней его степени разработанный метод формирования эквивалентных ортогональных составляющих входных токов обладает динамическими свойствами, близкими к характеристикам ранее предложенных. При сильном насыщении магнитопровода трансформаторов тока обеспечивается повышение быстродействия получения достоверных значений указанных составляющих в 1,5–2 раза.

The methods used in the microprocessor protection of electrical equipment for forming orthogonal components of input currents ensure their reliable isolation after changing the mode followed by one or more periods of the fundamental frequency. This is due to the inertia of the functional elements, in particular, digital frequency filters, as well as the saturation of the steel magnetic cores of current transformers. To increase the speed of the selection of orthogonal components of the input currents, it is proposed to form them as equivalent ones in terms of the cosine and sine components obtained using digital Fourier filters by multiplying by the resulting coefficient. The method that has been developed for determining the specified coefficient provides compensation for the delay caused by the inertia of digital filters, as well as the saturation of the steel of magnetic cores of current transformers. The proposed method of forming orthogonal components is highly effective in the modes of strong saturation of the magnetic core with a complex input action in the presence of an aperiodic component with a large damping time constant. The evaluation of the efficiency of the proposed method was performed using a complex digital model implemented in the dynamic modeling environment MatLab-Simulink. As a result of the performed studies, it was found that in the absence of saturation of the magnetic core of current transformers, as well as in the presence of a small and medium degree of saturation, the proposed method for forming equivalent orthogonal components of input currents has dynamic properties close to the ones of those that had been previously proposed. With a strong saturation of the magnetic core of current transformers, the speed of obtaining reliable values of these components is increased by 1.5–2 times.

ортогональные составляющие входных токовмикропроцессорная защитацифровые фильтры Фурьенасыщение стали магнитопровода трансформаторов токакорректирующий коэффициентцифровая модельтестовое воздействиеMatLab-Simulinkрезультаты исследованиябыстродействующий методorthogonal components of input currentsmicroprocessor protectiondigital Fourier filterssaturation of the steel of the magnetic core of current transformerscorrection factordigital modeltest effectMatLab-Simulinkresearch resultsfast-acting methodReferencesШнеерсон, Э. М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.Sheyerson E. M. (2007) Digital Relay Protection. Moscow, Energoatomizdat Publ. 549 (in Russian).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. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 59 (5), 397–417. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-5-397-417 (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. 43, 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, 43 (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.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.Методика повышения быстродействия измерительных органов микропроцессорных защит электроустановок / Ф. А. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 5. С. 403–412. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-5-403-412.Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V., Rumiantsev Yu. V. (2019) Technique of Performance Improvement of the Microprocessor-Based Protection Measuring Element. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (5), 403–412. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-5-403-412 (in Russian).Совершенствование алгоритма формирования ортогональных составляющих входных величин в микропроцессорных защитах / Ф. А. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 2. С. 95–108. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-2-95-108.Romaniuk F. A., Rumiantsev Yu. V., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V. (2021) Enhancement of the Orthogonal Components Forming Algorithm for the Microprocessor-Based Relay Protection Input Signals. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (2), 95–108. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-2-95-108 (in Russian).Федосеев, А. М. Релейная защита электрических систем. Релейная защита сетей / А. М. Федосеев. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1992. 528 с.Fedoseyev А. М. (1992) Relay Protection of Electric Power Grids. Relay Protection of Electric Power Networks. 2nd ed. Moscow, Energoatomizdat Publ. 528 (in Russian).Чернобровов, Н. В. Релейная защита энергетических систем / Н. В. Чернобровов, В. А. Семенов. М.: Энергоатомиздат, 1998. 800 с.Chernоbrоvоv N. V., Semenov V. A. (1998) Relay Protection of Electric Energy Grids. Moscow, Energoatomizdat Publ. 800 (in Russian).Формирование ортогональных составляющих входных сигналов в микропроцессорных защитах / Ф. А. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 4. С. 328–339. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-328-339.Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Rumiantsev Yu. V., Kachenya V. S. (2020) Orthogonal Components Forming of the Microprocessor-Based Protection Input Signals. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (4), 328–339. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-328-339 (in Russian).SimPowerSystems. User’s Guide. Version 5 [Electronic resource]. The MathWorks, 2011. Mode of access: https://all-guidesbox.com/manual/545991/matlab-simpowersystems-5-operation-user-s-manual-403.html.SimPowerSystems. User’s Guide. Version 5. The MathWorks, 2011. Available at: https://all-guidesbox.com/manual/545991/matlab-simpowersystems-5-operation-user-s-manual-403.html.Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, SimPowerSystems и Simulink / И. В. Черных. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2011. 288 с.Chernykh I. V. (2011) Modeling of Electrical Devices in MatLab, SimPowerSystems and Si-mulink. Moscow, DMK Press Publ.; Saint-Petersburg, Piter Publ. 288 (in Russian).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. (2003) Simulink 4. Secret of Skills. Moscow, BINOM Publ. 403 (in Russian).Цифровой измерительный орган для функционирования в условиях глубокого насыщения трансформатора тока / Ю. В. Румянцев [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 6. С. 483–493. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-483-493.Rumiantsev Yu. V., Romaniuk F. A., Rumiantsev V. Yu., Novash I. V. (2018) Digital Current Measurement Element for Operation During Current Transformer Severe Saturation. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (6), 483–493. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-483-493 (in Russian).

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